Wandfluh: Effiziente Hydraulik Hydraulikventile aus dem 3D-Drucker

Von Simon Willen, Produktentwickler, und Tobias Krause, Leiter Ventilentwicklung

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Generativ zu fertigen ermöglicht deutlich kleinere und nachhaltige Hydraulikventile. Auf kleinstem Bauvolumen kann man Leistung und Funktionalität integrieren. Auswirkungen auf Umwelt und Ressourcen werden minimiert.

Additiv gefertigte, strömungstechnisch optimierte Hydraulikventile (r.) minimieren den Verbrauch an Ressourcen und Energie und lassen sich zudem problemlos skalieren, zum Beispiel von NG3 zu NG1,5.
Additiv gefertigte, strömungstechnisch optimierte Hydraulikventile (r.) minimieren den Verbrauch an Ressourcen und Energie und lassen sich zudem problemlos skalieren, zum Beispiel von NG3 zu NG1,5.
(Bild: Wandfluh AG)

Üblich werden Hydraulikkomponenten, insbesondere Ventilkörper, subtraktiv, also durch Drehen, Fräsen und Bohren, aus dem Vollen gefertigt. Dies bringt neben Einschränkungen bei der Auslegung von Strömungskanälen auch unverhältnismässig grosse Spanvolumina und damit einhergehende umwelttechnische und logistische Ineffizienzen mit sich. Der weltweit etablierte Lösungsansatz zur Verwendung gegossener Ventilkörper ist eine logische Folge und gehört seit Längerem zum weltweiten Standard. Aber obwohl man den Vorteil eines verminderten Strömungswiderstands nutzt, indem man die Innenkerne entsprechend formt, rühren auch gerade daraus Einschränkungen her. Die Formen zur Herstellung des Kerns haben deutliche Restriktionen bei der Herstellung von Kanälen mit Hinterschnitt, und ebendiese Kanäle müssen nach dem Guss vollständig entsandet werden. In Verbindung mit der Korngrösse der Formsande ist es daher nicht möglich, beliebig kleine Kanäle zu erzeugen. Üblich werden Gusskörper daher lediglich bis zur Abmessung NG4 eingesetzt.

Zukunftsweisende Konstruktion

Wandfluh hat sich zum Ziel gesetzt, abseits bestehender Herstellverfahren und insbesondere auch Designprinzipien das Konzept von Schieberventilen neu zu denken und dazu gezielte Überlegungen angestellt. Wenn man sich von bestehenden Anschlussbildern löst und einen Ventilkörper völlig neu entwirft, also völlige Designfreiheit zulässt, wird konsequenterweise ein Ventil auch nicht mehr konventionell herstellbar sein. Auf der Suche nach neuen Herstellverfahren wurde erkannt, dass das laserbasierte Powder-Bed-Fusion-Verfahren (L-PBF) eine Schlüsseltechnologie darstellt. Unter Führung der Inspire AG wurde in einem Team von Mitarbeitenden der FHNW, ETH und der Wandfluh AG im Rahmen eines Innovationsprojekts gezielt ein neuartiges Konzept für Schieberventile entwickelt. Besondere Beachtung wurde nebst tribologischen Themen, hier der gewünscht verschleissarmen Reibung von oszillierenden Ventilkolben gegenüber dem Ventilkörper, auch den optimalen Fluidkanalformen sowie den Anströmverhältnissen am Kolben geschenkt. Aus den Erkenntnissen entstand das wichtigste Bauteil des neuartigen Ventils – der Ventilkörper – in einem völlig neuen Design. Er wurde mit CAD entwickelt, mit FEM optimiert, nachbearbeitet und im Werk Frutigen getestet.

Werkstoff und Design frei wählen

Das Additive Manufacturing – AM – bietet neben der grossen Flexibilität auch noch die Möglichkeit, Werkstoffe einzusetzen, die man nur sehr aufwendig, falls überhaupt, konventionell giessen kann. Die Wahl fiel auf den rostbeständigen Edelstahl 1.4404, der die Eigenschaft bietet, hochseefähig und zudem besonders für Wasserglykole geeignet zu sein. Die Verwendung von Titan ist ebenso problemlos denkbar, wurde aber in diesem Projekt zunächst nicht umgesetzt. Der Ventilkolben blieb als ein im Grundsatz konventionell hergestelltes Bauteil erhalten, weil im Vorfeld nur geringes Einsparpotenzial ermittelt wurde. Es ist im Sinne der Weiterentwicklung des neuen Konzepts denkbar, auch einen Hohlkolben zu designen, wenngleich dieser bei besonders kleinen Baugrössen vermutlich keinen Vorteil bieten würde.

Um den Projektumfang übersichtlich zu halten, wurde in Bezug auf den Aktuator auf eine herkömmliche Bauform mit existierender Steckspulenlösung zurückgegriffen. Dies führte zu einer etwas grösseren Bauform, deren Miniaturisierung Bestandteil weiterer Optimierungen sein kann.

Rotatives Anschlussbild als neuer Designansatz

Das weltweit in der Hydraulikbranche verwendete und nach ISO 4401 genormte Standard-Anschlussbild geht von einem dazu parallel geführten Kolben aus. Das führt dazu, dass das Fluid im Kolbenraum unter geometrisch nicht idealen Bedingungen eine Umlenkung von rund 180° erfährt und dabei entsprechende Druckverluste entstehen. Diesem Umstand wurde von den Ingenieuren unter dem Projektnamen «Tintenfisch» mit einem neuartigen Design begegnet, das die Kolbenanordnung vertikal zum Anschlussbild vorsieht und daher nur gegossen werden könnte, oder zu einem 3D-gedruckten Ventil führt. Um zwecks Teileeinsparung in der Fertigung und der Anwendung eine zusätzliche Konfigurationsebene hinzuzufügen, wurde zusätzlich zur neuen Kolbenausrichtung ein für Schieberventile neuartiges, rotativ ausrichtbares Anschlussbild gewählt. Dies ermöglicht dem Anwender, bei der Montage von letztendlich nur einer Ventilkonfiguration durch eine simple Rotation bis zu vier verschiedene Funktionalitäten abzudecken. Die daraus resultierende Artikelreduktion ist einerseits positiv bei der Systemauslegung, als auch insbesondere durch die deutlich vereinfachte Vorhaltung von Ersatzteilen vorteilhaft.

Deutlich weniger Verluste

Die gedruckten Ventilkörper wurden endbearbeitet, zu funktionsbereiten Ventilen verbaut und auf Prüfständen bei Wandfluh ausgemessen. Die hydraulischen Daten sind im direkten Vergleich zu konventionellen NG3-Schieberventilen deutlich gesteigert. Durch die beschriebene Neukonzeption des 4/3-Wege-Schieberventils in Nenngrösse 3 konnte der Druckverlust bei einem Durchfluss von 15 l/min um 60 Prozent reduziert werden. Dies ist eine Reduktion, die man mit konventionell gegossenen Körpern landläufig nicht in dieser Qualität erreichen kann. Bisher liessen sich Verbesserungen um lediglich 20 Prozent realisieren. Zugleich beträgt die Gewichtseinsparung rund 50 Prozent gegenüber einem konventionell gefertigten Ventilkörper, was sich ebenso deutlich vom konventionellen Giessen abhebt. Dort eine Einsparung um mehr als 10 Prozent zu verwirklichen ist kaum möglich. Dabei ist noch zu berücksichtigen, dass man – der unvermeidbaren Nachzerspanung geschuldet – gezielt Spannflächen am Ventilkörper anbringen musste.

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Strömungstechnisch optimiert

Möglich wurden diese ausserordentlichen Verbesserungen durch die speziell geformten Kanäle, die in einem aufwendigen iterativen Simulationsprozess sowohl strömungstechnisch als auch hinsichtlich einer optimalen Festigkeit optimiert wurden. Dass die neuen Ventilkörper festigkeitsmässig dauerfest sind, und somit bisherigen Ventilkörpern ebenbürtig, wurde durch einen Druckimpulstest verifiziert. Die vertikale Ausrichtung der Ventilachse bot zudem den Vorteil der deutlichen Reduktion der im 3D-Druck notwendigen Stützstrukturen und führt zu wenig thermisch induziertem Verzug. Dank Zusammenspiel heutiger CAD-Technologien und additiver Fertigungsverfahren kann auf sehr einfache Weise skaliert werden. Somit wurde das vorliegende NG3-Ventil erfolgreich auf die Nenngrösse 1,5 skaliert, der Ventilkörper gedruckt, zu einem Ventil zusammengebaut und getestet. Anwendungsspezifische Nenngrössen, integrierte hydraulische Vorsteuerkanäle, Serienschaltungen und weitere Features sind mit dem vorliegenden Konzept einfach zu verwirklichen. Die durch AM erreichbare, deutliche Performancesteigerung eröffnet das Feld für Optimierungen und ermöglicht künftig den Einsatz von kleineren und damit zusätzlich deutlich leichteren Ventilen bei identischen technischen Eckdaten. Dies ist insbesondere bei Subsea-Anwendungen interessant, da in diesem Bereich jedes Kilogramm Gewicht aufwendig austariert werden muss. Wandfluh zeigt mit dem neuartigen Konzept eine mögliche Richtung zur Weiterentwicklung auf und leistet damit einen Beitrag, künftig bionisch inspirierte, hochperformante Wegeventile zu entwickeln und zu verwirklichen. - kmu - SMM

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