Cómo la impresión 3D revoluciona el diseño y rendimiento de componentes hidráulicos

[Crédito de imagen: Renishaw]
 
La demanda de nuevos enfoques en el diseño y fabricación de componentes hidráulicos está en aumento. Una tecnología que permite a los fabricantes explorar nuevas oportunidades en la fabricación de hidráulica es la impresión 3D.
 
Desde Liebherr y Ford hasta Bosch Rexroth, las empresas recurren a la impresión 3D para crear componentes hidráulicos más eficientes energéticamente, ligeros y menos costosos.
 
El Application Spotlight de hoy profundiza en los beneficios de la impresión 3D para sistemas y componentes hidráulicos, explorando los ejemplos más emocionantes de la tecnología en acción.
 
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¿Por qué usar impresión 3D para componentes hidráulicos?

 
La hidráulica es una de las formas más eficientes de crear movimiento cuando se involucran cargas pesadas o se necesita movimiento repetitivo.
 
Los sistemas hidráulicos usan bombas para presurizar un líquido, y su movimiento se usa para alimentar todo, desde grúas hasta coches.
 
La hidráulica está a nuestro alrededor a diario. Se usa en vehículos, equipos de construcción, edificios e instalaciones de fabricación.
 
Los componentes hidráulicos se fabrican tradicionalmente mediante mecanizado o fundición. Sin embargo, muchos fabricantes de equipos hidráulicos se están interesando en producir componentes hidráulicos, como colectores, servoválvulas y bloques adaptadores hidráulicos, usando impresión 3D. Pero, ¿qué les hace considerar la tecnología en primer lugar?
 
Según Steffen Haack, jefe de la Unidad de Negocio de Hidráulica Industrial en Bosch Rexroth AG, hay muchas tendencias que moldean la industria hidráulica, incluyendo:

• Eficiencia energética (fuerzas de flujo reducidas, pérdida de presión reducida, mayor eficiencia)
• Reducción de ruido
• Volúmenes de tanque reducidos
• Nivel de presión más alto y espacio de instalación reducido
• Propiedades de material y aceite mejoradas
• Mayor disponibilidad y mantenimiento predictivo
• Facilidad de uso
• Seguridad

La impresión 3D, particularmente con metales y arena, juega un papel importante en impulsar algunas de estas tendencias, como mayor eficiencia energética y menor espacio de instalación.
 
¿Cómo? Permitiendo diseños avanzados que hacen posible incorporar nuevas características, reducir peso y tamaño de los componentes y mejorar el rendimiento general del sistema hidráulico.
 
Profundicemos en los beneficios de la impresión 3D para hidráulica.
 

Reducción del peso y tamaño de componentes hidráulicos

La impresión 3D permite a los fabricantes de componentes hidráulicos hacer piezas más ligeras y pequeñas.
 
Tomemos un colector hidráulico como ejemplo. Esta pieza, que ayuda a regular el flujo de fluido entre los componentes de un sistema hidráulico, se mecaniza típicamente a partir de un bloque sólido de metal.
 
Eliminar más metal del necesario es costoso, y frecuentemente el exceso de metal no se mecaniza, resultando en una pieza que pesa más de lo que potencialmente podría.
 
La impresión 3D ayuda a superar este problema, ya que requiere casi la misma cantidad de material necesaria para producir un colector.
 
En un proceso de impresión 3D metálico, como Sinterizado Láser Selectivo, un láser traza una sección transversal de micras de una pieza, fundiendo y fusionando selectivamente una capa de polvo metálico capa a capa. Esto permite a los ingenieros controlar la cantidad de material que entra en la pieza, usando menos metal que el mecanizado CNC requeriría.
 
Además de reducir el peso de los componentes, la impresión 3D también permite piezas más compactas que encajan mejor en espacios con restricciones de diseño. Esta ventaja hace que los componentes hidráulicos impresos en 3D sean particularmente buscados en aplicaciones que requieren alta precisión y ligereza.
 
Foco: Colector impreso en 3D de Aidro

 
Un ejemplo de componente hidráulico impreso en 3D viene del fabricante italiano Aidro.
 
El colector hidráulico de Aidro, usado en maquinaria agrícola, fue rediseñado para ahorrar peso y espacio en el sistema donde se usa. El colector de aluminio impreso en 3D realiza las mismas funciones que la unidad que reemplaza pero es la mitad de tamaño y un 75 % más ligero que el colector anterior.
 
Consolidación de piezas

La impresión 3D también permite hacer componentes más pequeños, integrando múltiples piezas en una —un enfoque conocido como consolidación de piezas.
 
Esto permite a los fabricantes eliminar ensamblajes complejos de componentes, así como mejorar la integridad estructural de una pieza, ya que hay menos puntos de unión débiles que pueden causar fugas.
 

Optimización de la eficiencia

La impresión 3D hace posible rediseñar las geometrías internas de un componente hidráulico para optimizar el flujo de fluido y reducir la caída de presión.
 
Tomando colectores como ejemplo, los ingenieros pueden posicionar canales de flujo de fluido dentro de un colector precisamente donde se necesitan y en una variedad de formas y tamaños. Esto significa que los canales de flujo pueden tener formas curvas y estar más juntos que con colectores convencionales, lo que hace el producto final más compacto y ligero.
 
Los caminos de flujo curvos pueden mejorar la eficiencia de flujo en un 30 a 70 por ciento.

 
Rediseñar la forma de la sección transversal de los canales de flujo también puede marcar la diferencia. Por ejemplo, los caminos de flujo en válvulas de carrete típicamente tienen forma redonda, porque se mecanizan con fresas rotativas.
 
La impresión 3D permite a los ingenieros diseñar secciones transversales de caminos de flujo cuadradas en lugar de redondas, lo que puede aumentar la capacidad de flujo hasta un 20 % y reducir la caída de presión.
 
Además, los componentes hidráulicos tradicionales, como colectores, a menudo requieren mecanizado de pasajes transversales que luego deben taparse para evitar fugas de aceite. Estos canales tapados, sin embargo, crean posibles rutas de fuga que pueden causar fallo del sistema. La impresión 3D elimina este problema, al remover la necesidad de crear pasajes transversales en primer lugar.
 

Más ejemplos de componentes hidráulicos impresos en 3D

Impresión 3D de un bloque adaptador hidráulico

 
GKN Additive ha impreso en 3D un bloque adaptador hidráulico, que es un colector que dirige el flujo de fluido en un sistema hidráulico, vinculando válvulas, bombas y actuadores.
 
Los bloques hidráulicos tradicionales tienden a tener un diseño bloqueado con un conjunto de canales internos taladrados. El proceso de fabricación de bloques hidráulicos comienza taladrando agujeros desde arriba y abajo.
 
Los agujeros verticales se conectan luego por canales horizontales, y se cortan roscas en ellos. Para evitar fugas de aceite de los canales horizontales abiertos, se tapan con tornillos de presión y se sellan.
 
Este proceso, sin embargo, es altamente ineficiente por varias razones. Primero, los bordes taladrados y fresados crean rebabas afiladas difíciles de alcanzar en post-procesado. Estas a veces se rompen durante la operación y causan fallo del sistema.
 
Segundo, los puntos de conexión en esquinas afiladas generan flujo turbulento, resultando en ineficiencias energéticas. Tercero, los canales horizontales no usados pueden acumular suciedad, reduciendo la vida operativa del sistema hidráulico.
 
La impresión 3D ayudó a GKN Additive a superar los retos anteriores para crear un bloque hidráulico de mejor rendimiento.
 
El peso del bloque hidráulico se redujo de 30 kg a 5.5 kg, sin sacrificar funcionalidad. Con el nuevo diseño, fue posible eliminar el exceso de material y asegurar que no hubiera solapamientos de taladros dentro de la pieza.
 
Además, el nuevo diseño omite completamente los canales horizontales no usados, así que la suciedad no tiene donde acumularse. Finalmente, para reducir el flujo turbulento en el sistema, los ingenieros reemplazaron esquinas internas afiladas con tuberías suaves.
 
Resumiendo los beneficios de la impresión 3D para esta aplicación, la impresión 3D permitió al fabricante mejorar la funcionalidad del componente, usando menos material. Esto se tradujo en menor peso de la pieza y coste de fabricación reducido.
 

Bloque de válvula hidráulica impreso en 3D de Liebherr

 
Otro buen ejemplo de impresión 3D para hidráulica viene del Grupo Liebherr. Con la ayuda de la impresión 3D, la empresa pudo rediseñar un bloque de válvula hidráulica de alta presión, usado en aeronaves, para hacerlo más ligero y eficiente.
 
El equipo de Liebherr integró 10 elementos funcionales en el nuevo bloque de válvula, eliminando el complejo sistema de tuberías con muchos taladros transversales. El resultado es un bloque de válvula un 35 % más ligero, hecho de menos piezas.
 
La pieza impresa en 3D ha sido probada con éxito en un vuelo de prueba del avión A380.
 

Domin Fluid Power reimagina sus sistemas de potencia de fluidos con impresión 3D

 
El fabricante británico de sistemas hidráulicos, Domin, ha recurrido a la impresión 3D para redevelopar sus servoválvulas de accionamiento directo de alto rendimiento, usadas para transformar señales en presión.
 
Domin afirma que la impresión 3D le da la capacidad de construir piezas complejas, más rápido y sin utillajes. Por ejemplo, la empresa ha diseñado uno de sus accionamientos que es el 25 % del tamaño original y un 25 % más potente. La pieza se produjo por un tercio del coste, y el tiempo de fabricación se redujo de 5.5 horas a solo 1 hora.
 
Tales resultados serían imposibles de lograr con métodos convencionales, afirma Domin.
 

Ford imprime en 3D un colector de admisión

Mientras hemos visto ejemplos de componentes hidráulicos impresos en 3D para equipos pesados y aeronaves, Ford ha sido pionero en impresión 3D para sistemas hidráulicos automotrices.
 
El año pasado, el fabricante mostró lo que afirma ser el colector de admisión de metal impreso en 3D más grande jamás puesto dentro de un vehículo en funcionamiento.
 
Ese vehículo es la camioneta Ford 'Hoonitruck' de Ken Block.

 
El vehículo requería un colector de admisión especial para suministrar aire a los cilindros del motor desde los turbocompresores, y Ford decidió recurrir a la impresión 3D metálica.
 
La pieza está impresa en 3D de aluminio, usando una máquina Concept Laser, y tardó 5 días en construirse. Usando software CAD de vanguardia, fue posible crear una estructura compleja tipo telaraña que no podría hacerse con métodos de fabricación tradicionales. El diseño está optimizado para mejor rendimiento y menor peso —la pieza final pesa solo 6 kg.
 

Bosch Rexroth usa impresión 3D de arena para colectores

 
Además de la impresión 3D metálica, también existe la opción de imprimir un núcleo de arena que luego se puede usar para fundir un componente hidráulico. El proceso usado para esta aplicación se llama binder jetting, y funciona depositando selectivamente un agente aglutinante sobre una capa de arena de sílice.
 
Bosch Rexroth ha estado usando impresión 3D de arena para producir núcleos de fundición para bloques de control, durante varios años.
 
Entre los beneficios clave de hacer esto, Bosch Rexroth destaca la capacidad de integrar componentes de máquina, como filtros en el colector, y reducción de peso de hasta el 30 %.
 
Beneficios adicionales incluyen la eliminación de agujeros auxiliares que pueden causar fugas y optimización de canales internos de flujo que mejoran la eficiencia energética.
 

Reimaginando componentes hidráulicos con impresión 3D

A medida que la industria hidráulica se esfuerza hacia componentes más eficientes energéticamente y pequeños, la impresión 3D ofrece una opción para desarrollar y producir diseños de mejor rendimiento.
 
Viendo las ventajas en plazos, ahorro de peso y coste y rendimiento habilitados por la impresión 3D, muchos fabricantes de componentes hidráulicos están comenzando a explorar esta tecnología para sus productos.
 
De cara al futuro, esperamos que el papel de la impresión 3D en la producción de componentes hidráulicos aumente, ayudando a las empresas del sector hidráulico a mantenerse al día con tendencias actuales y futuras.