Ventil 3 / 2022 • Letnik 28 190 PROPORCIONALNI POTNI VENTILI 1 Uvod Trendi trajnostnega razvoja kažejo v smeri manjše porabe goriv in boljšega izkoristka strojev. T e cilje lah- ko dosegamo na različne načine. Eden izmed njih je tudi zmanjševanje mase komponent ter posledično strojev, ki te komponente vključujejo. Zmanjševanja mase komponente smo se lotili z uporabo moderne- ga postopka izdelave – 3D-tiska. Ta omogoča izde- lavo kompleksnih oblik, ki bi jih z drugimi postopki izdelovali več časa ali pa jih sploh ne bi mogli izdelati. Nemogoča je predvsem izdelava zahtevnih notranjih geometrij, ki jih s frezalom ne moremo doseči. Za osnovo smo si izbrali 4/3 proporcionalni potni ventil nazivne velikosti 6, ki je bil izdelan z rezkal- nim strojem [1]. Ker smo želeli rezultate direktno primerjati, smo se držali standarda ISO 4401 [2], ki predpisuje priključne mere ventila. Z upoštevanjem zahtev standarda smo zagotovili tudi zamenljivost ventila: novi ventil lahko kadarkoli zamenja kateri- koli ventil, izdelan po istem standardu. Dodatne zahteve so, da mora ventil nemoteno delo- vati do tlaka 350 bar ter imeti optimirano notranjo geometrijo za pretok kapljevine do vključno 50 l/min. Pred izdelavo smo ta dva parametra upoštevali pri numeričnih analizah trdnosti ter pretoka skozi ohišje. 2 Razvoj oblike ohišja ventila Zaradi predvidenega tridimenzionalnega kovinske- ga tiskanja ohišja ventila smo bili s stališča konstru- iranja precej bolj svobodni, saj nas niso omejevale zahteve, ki jih pogojuje izdelava s tlačnim litjem ali z obdelavo na CNC-stroju. V programu SolidWorks Jan Bartolj, dipl. inž., dr. Ana Trajkovski, univ. dipl. inž., oba Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo; mag. Anže Čelik, univ. dipl. inž., Poclain Hydraulics, d. o. o., Žiri; doc. dr. Franc Majdič, univ. dipl. inž., Uni- verza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo r azvoj , izdelava in testiranje ProPorCionalnega Potnega ventila , izdelanega s 3d -tiskanje M kovin in z u Porabo toPološke oPtiMiza Cije Jan Bartolj, Ana Trajkovski, Franc Majdič, Anže Čelik Izvleček: V zadnjih letih so se v proizvodnjah začele uporabljati dodajalne tehnologije tudi kot orodja za izdelavo večjih serij. Z uporabo različnih materialov lahko dosežemo najrazličnejše oblike končnih izdelkov, tudi take, ki jih z drugimi postopki ne bi mogli izdelati. S tem, ko se je začel vse bolj razvijati in uporabljati tisk kovinskih materialov, se lahko upravičeno sprašujemo, kako se taki izdelki primerjajo s tistimi, ki so izdelani s konvencionalnimi postopki, kot sta tlačno litje in rezkanje. Že zelo zgodaj so se v kovinskih materialih začeli tiskati tudi izdelki za uporabo na najrazličnejših področjih hidravlike. Zaradi narave izdelovalnega postopka in zmožnosti izdelave kompleksnih notranjih oblik lahko hidravličnim komponentam vidno izboljšamo karakteristike. Ena izmed teh je tudi masa izdelka, pri kateri najhitreje opazimo prostor za izboljšavo, saj se ponudi veliko možnosti za optimizacijo geometrije. V našem primeru smo pri izdelavi ventila odstranili kar dve tretjini začetne mase, ki jo ima ventil, izdelan z rezkanjem. Poleg tega smo mu lahko izboljšali tudi pretočne karakteristike zaradi kompleksne notranje geo- metrije. Vse to smo lahko dosegli z uporabo sodobnih orodij za numerične analize, simulacije in optimizacije. Ključne besede: 3D-tisk kovin, hidravlika, dodajalne tehnologije, optimizacija, numerične analize, topološka optimizacija Ventil 3 / 2022 • Letnik 28 smo izdelali več različnih modelov, katerim smo že- leli že v prvih korakih odstraniti čim več volumna, da bi dosegli čim manjšo maso. CAD-model ohiš- ja smo izdelali tako, da so bile stene na najtanjših mestih debele vsaj 3 mm. To je bilo določeno na podlagi izkušenj, ki smo jih v LFT (Laboratorij za fluidno tehniko) pridobili med testiranjem na po- dobnih materialih pri tlakih do 350 bar. Ker smo nameravali ohišje ventila natisniti s 3D-tiskalnikom kovin, smo ga lahko zasnovali tako kompleksno, da ga z drugimi postopi ne bi mogli izdelati. Upora- bljeni 3D-tiskalnik kovin EOS M290 deluje po me- todi SLM (ang. selective laser melting) ali izbirne- ga laserskega pretaljevanja. Poleg tega, da se na določenih mestih material pretali, se zaradi visoke temperature laserskega žarka material sproti tudi lokalno kali in s tem utrjuje. Končni izdelek bo imel zaradi izdelave po plasteh anizotropne lastnosti, ki jih odpravljamo s postopkom naknadne toplotne obdelave [3] [4]. Kot osnovo za konstruiranje smo izbrali notranje dr- sne površine, kjer naseda bat, ter obliko spodnjega dela ohišja, kjer se ventil priključi na osnovno plo- ščo. Profile iz osnovne plošče smo nato z vodilni- mi krivuljami povezali do zgornjih komor, kjer bo kasneje kapljevina zaokrožila okoli krmilnega bata. Ker so bile krivulje izdelane s postopkom projicira- nja, se enostavno spreminjajo v vseh treh smereh koordinatnega sistema, s čimer se spreminja potek notranjih kanalov. Vodilne krivulje torej povezujejo osnovni profil na priključni plošči z elipsami, ki so bile projicirane na komore zgornjega dela. Elipse so se namreč izkazale za najbolj učinkovite po količini pretoka glede na obliko. Za lažjo predstavo je na sliki 1 prikazan potek izdelave enega izmed razbre- menilnih vodov ohišja ventila. Ker smo izdelali notranjost ventila kot nenično (ne- gativ volumna) geometrijo, smo v naslednjem ko- raku izvedli inverzijo s preprostim ukazom v Soli- dWorksu. S tem smo geometrijo obrnili »navzven« s predpisano najmanjšo dovoljeno debelino stene. Ta je, kot že omenjeno, znašala 3 mm. Po izvršenem ukazu nam je ostala zunanja geometrija kot ste- na prejšnje geometrije. To je bil tudi prvi približek končnega ohišja ventila. Ta je prikazan na sliki 2. Na levi strani vidimo še geometrijo ventila, prerezano s poševno postavljeno ravnino. Ta geometrija ventila bo služila kot osnova vsem prihodnjim različicam ventila, najprej pa bomo na njej izvedli tudi numerične analize trdnosti (MKE) ter pretočnosti (CFD). 3 Numerične analize Analize trdnosti Hidravlični ventili so običajno izdelani s postopkom rezkanja ter struženja iz polnega kosa jekla ali dru- gih materialov. T o pomeni, da je njihova končna obli- ka kvader, ki obremenjenim delom, na katere priti- ska tlak hidravlične kapljevine, zagotavlja izredno veliko podporo s tem, da so stene ventila masivne. Kot prvo predpostavko pri izdelavi geometrije ven- tila za izdelavo s 3D-tiskom smo izbrali parameter debeline stene 3 mm, s čimer smo odstranili tudi togost celotne konstrukcije. Iz tega izhaja, da smo morali izdelati zelo podrobne trdnostne analize, da ugotovimo, ali bo končni izdelek res vzdržal tlak, ki se bo pojavil v ventilu. Predviden najvišji delov- ni tlak na notranje stene ventila je bil 350 bar, iz- brani material, ki nam poda materialne lastnosti, pa nerjavno orodno jeklo X3NiCoMoTi [5]. S tem smo določili materialne lastnosti, mejo tečenja materiala pri 2010 GPa ter gostoto 8,1 g/cm 3 . Model smo v sklopu trdnostnih analiz mrežili s te- traedričnimi končnimi elementi velikostnega razre- da 1 mm ter na kritičnih mestih uporabili lokalne gostitve. Analize smo nato ponavljali pri nespreme- PROPORCIONALNI POTNI VENTILI 191 Slika 1 : Poenostavljen prikaz postopka modeliranja ventila (86 mm x 40 mm x 35 mm) Slika 2 : Geometrija ventila, pripravljena za numerične analize trdnosti in notranjega pretakanja (86 mm x 47 mm x 43 mm) Ventil 3 / 2022 • Letnik 28 192 njenih parametrih za različne velikosti mreže. S tem, ko mrežo gostimo in večamo število končnih ele- mentov, namreč izboljšujemo rezultat in ga bližamo pravi vrednosti. Prav tako pa s tem podaljšujemo računski čas, zato uporaba izredno majhnih konč- nih elementov ni smiselna. Mrežo smo torej gostili, dokler se je rezultat znatno spreminjal. Ko pa smo opazili da se trend rezultatov približuje določeni vrednosti in se znatno ne spreminja več, smo go- stitev ustavili in uporabili zadnje dobljene rezultate. Na sliki 3 je viden mrežni model ventila z lokalno gostitvijo. Kot rezultate numeričnih analiz smo spremlja- li globalne pomike glede na največjo inducirano napetost v materialu ter glede na pomike krmil- nih robov. Največji globalni pomik se je pojavil na skrajnih robovih pritrdišč krmilnih magnetov in je bil velikostnega razreda 0,1 mm, kar pomeni, da za celotno konstrukcijo ni predstavljal večjih proble- mov. Pri merjenju največje globalne napetosti, ki se pojavi v materialu, smo ugotovili, da se induci- ra na prehodu med tlačnim kanalom ter notranjo komoro, kjer kapljevina oblije bat. Ta napetost je bila izmerjena pri 210 MPa, torej še daleč stran od dopustne meje. Kot najbolj kritična mesta pa so se pričakovano izkazale drsno-tesnilne površine krmilnega bata. Deformacija teh drsnih površin se je izkazala celo za ključni kriterij, ali bo določen model ohišja prišel v naslednjo fazo razvoja ali pa bodo potrebne ojačitve ohišja na teh mestih. Ker se bo ventil uporabljal za vodno hidravliko, je bilo predpostavljeno, da največji pomiki drsnih površin ne bi presegli 7 µm, s čimer se prepreči preveli- ka količina notranjega puščanja. Prve analize so pokazale nekoliko večje pomike, kot je bilo žele- no, zato smo konstrukcijo ojačali s podporami s spodnje strani ter pri tem poskušali ohraniti maso ohišja. Po dodanih podporah smo ponovno izme- rili največje pomike drsnih ploskev ter ugotovili, da smo jih znižali na 5,6 µm. Rezultate analize smo prikazali v cilindričnem lokalnem koordinatnem sistemu, ki ima kot izhodišče izbrano os izvrtin, na katere naseda bat. Vsak pomik, ki je večji od 0, pomeni povečevanje izvrtine, negativni pa, da se cilinder zmanjšuje. Če imamo pozitivne pomike, pomeni, da bo med notranjimi vodi nekoliko večje puščanje zaradi povečane nadmere izvrtine glede na bat, negativni pomiki pa so precej bolj nevarni, saj lahko povzročijo blokado bata v ohišju – tako je ventil neuporaben. Rezultat numeričnega preraču- na deformacij ohišja je prikazan na sliki 4, pomiki so v mm. Tokovne analize Da smo zagotovili sprejemljivo pretočnost skozi ventil, smo izvedli tudi tokovne analize pretočnosti (CFD). Z njimi smo želeli dokazati, da ventil zaradi kompleksne notranje geometrije predstavlja manjši upor in izgubo kot konvencionalno izdelani ventili. Rezultate padca tlaka glede na pretok (∆p–Q) smo zato primerjali z rezultati serijsko izdelanega kon- vencionalnega potnega ventila. Notranji volumen ohišja ventila smo podobno kot pri trdnostnih analizah mrežili z lokalno gostitvijo ter mu določili potrebne parametre. Ti so: pomik krmilnega bata, volumski pretok na vhodu v ventil, atmosferski tlak na razbremenilni strani (povratni – T-priključek) ter temperatura vode. Za volumski pretok skozi ventil smo pri preračunu izbrali vre- dnosti 10, 30, 50 ter 80 l/min, ventilu pa smo na koncu optimirali notranjost za pretok 50 l/min. Na strani razbremenitve (povratni – T-priključek) smo izbrali tlak okolice 1,013 bar ter temperaturo kaplje- vine 50 °C. Pri analizah smo ponovno upoštevali, da večje šte- vilo izračunov pomeni daljši računski čas, ter analo- gno temu določali velikost končnih volumnov. Rezultat izračunanega tlačnega padca pri znanem pretoku in mreža končnih volumnov na vzdolžnem preseku ventila sta prikazana na sliki 5. PROPORCIONALNI POTNI VENTILI Slika 3 : Mrežni model ventila s prikazano lokalno go- stitvijo mreže na kritičnem mestu (86 mm x 47 mm x 43 mm) Slika 4 : Rezultati trdnostnih analiz ohišja ventila na dr- snih površinah v lokalnem cilindričnem koordinatnem sistemu (86 mm x 47 mm x 43 mm) Ventil 3 / 2022 • Letnik 28 Na sliki 5 lahko opazimo, da se največje spremembe tlaka in posledično hitrosti kapljevine pričakovano pojavijo v režah krmilnega bata in ohišja [6]. Tam je presek najmanjši, zato je to največji upor na poti kapljevine skozi ventil. Skozi ventil smo računali tlačni padec med vhodom in izhodom, pri kombinacijah med tlačnim in prvim delovnim vodom (P–A) ter drugim delovnim vodom ter razbremenilnim vodom (B–T), ki je povezan na hidravlični rezervoar. Tako smo simulirali dejanske razmere, ki se pojavljajo med delovanjem ventila. Pri analizi tlačnega padca glede na pretok skozi ventil (∆p–Q) smo dobili rezultat, prikazan na sliki 6. Prikazana je primerjava med padcem tlaka pri pre- takanju skozi novo 3D-tiskano ohišje in skozi ohišje konvencionalnega ventila. Opazimo, da je tlačni pa- dec pri pretoku 50 l/min v vseh preračunanih od- mikih krmilnega bata nižji pri 3D-tiskanem ventilu. T o je posledica naše izboljšane notranje geometrije. Z analizami pretoka smo ugotovili tudi reakcijske sile na obtočne elemente, ki se pojavijo kot posledi- ca tokovne sile. Najbolj kritično v tem primeru se je izkazal reakcijski moment, ki se na krmilni bat indu- cira zaradi kroženja kapljevine okoli njega. Na krmil- nem batu smo izmerili moment, ki bi lahko pomenil rotacijo krmilnega bata v ohišju okoli svoje osi in s tem hitrejšo obrabo elementov v kontaktu. S poznavanjem reakcijskega momenta na krmilni bat smo lahko spreminjali notranjo geometrijo, do- kler nismo izničili efekta tokovne sile. Sprememba geometrije tlačnega voda je prikazana v prečnem prerezu na sliki 7. Hitrostni vektorji na sliki 7 prikazujejo smer toka ka- pljevine v tlačnem vodu ventila. 4 Topološka optimizacija Topološka optimizacija je vrsta numerične opti- mizacije, ki omogoča izdelavo geometrije glede na robne pogoje, obremenitve in mrežo. Glede na pogoje, ki jih navede uporabnik, program za vsak 193 PROPORCIONALNI POTNI VENTILI Slika 5 : Mreža končnih volumnov pri tokovni analizi z izračunanimi tlačnimi razmerami pri zahtevanem pre- toku 50 l/min (86 mm x 43 mm) Slika 7 : Izračunane spremembe geometrije kot posledi- ca induciranega navora zaradi tokovne sile na krmilni bat 1 Slika 6: Primerjava izračunanih rezultatov Δp-Q tokovnih analiz 3D tiskanega ter konvencionalnega potnega ventila 0 50 100 150 200 250 300 350 400 1,6 1 ,8 2 2 ,2 2,4 2 ,6 2,8 3 3,2 3 ,4 3,6 3 ,8 4 4 ,2 4,4 4 ,6 Padec  tlaka Δ p,  b a r O d p r t j e  r e ž e  s, mm Konve n cionalni  ventil 3D  ti skan  ventil Slika 6 : Primerjava izračunanih rezultatov ∆p–Q tokovnih analiz 3D-tiskanega ter konvencional- nega potnega ventila Ventil 3 / 2022 • Letnik 28 končni element glede na materialne parametre preveri, če je volumen tam potreben ali ne. Ra- čunalnik torej sam določa potrebnost materiala v posameznem končnem elementu in s tem oblikuje končno geometrijo. V našem primeru smo uporabi- li notranjo geometrijo ventila, ki smo ga izdelali, jo numerično analizirali in uporabili kot osnovo za to- pološko optimizacijo. Določena obremenitev na vse notranje vode je bila 350 bar, obremenitev v navo- jih pa zaradi sile privitja magneta 11 kN. Poleg tega smo kot parameter omejitve izbrali največji pomik drsnih površin na 5 µm. Podobno kot pri trdnostnih analizah smo tudi tu model mrežili s končnimi ele- menti ter uporabili lokalne gostitve. Predpisana naj- večja dovoljena geometrija je bila izbrana glede na gabaritne mere konvencionalnega potnega ventila. Volumski model kot rezultat topološke optimizacije je prikazan na sliki 8. Po numerični optimizaciji smo dobili volumski mo- del, ki pa zaradi izredno kompleksne oblike ni bil primeren za nadaljnji razvoj. Modeli, dobljeni po metodi topološke optimizacije, so zgolj osnova za končni model, ki ga izdela uporabnik, ko parame- trizira dobljeni volumski model. Parametrizacija je izdelava modela s telesi, ki bazirajo na osnovnih ge- ometrijskih telesih, kot so kvader, krogla, valj ... Po parametrizaciji je bil model tak, kot je prikazano v dveh različnih pogledih na sliki 9. Kot je razvidno, smo modelu dodali še simbol 4/3 proporcionalne- ga potnega ventila ter logotip laboratorija. 5 Kovinski tisk ventila Ventil smo po numeričnih analizah in optimiza- ciji natisnili na 3D-tiskalniku kovinskih materialov EOS M290. Kot je bilo že omenjeno, je bilo upo- rabljeno orodno jeklo X3NiCoMoTi, ki ima zaradi visoke vsebnosti niklja lastnosti nerjavnega jekla. Tisk ventila s končnim volumnom 49 cm 3 je trajal 5 ur. Po tisku je potrebno s posebno sesalno na- pravo odstraniti preostali kovinski prah, ki se ni pretalil. Ta prah je primeren za ponovno uporabo. Končano ohišje smo nato odstranili od spodnje plošče na tiskalniku in ga peskali. S peskanjem smo odstranili ostre robove, ki nastanejo zaradi pretaljevanja prahu, nato smo končno obdelali površino s postopkom mikrokaljenja. Ohišje ven- tila smo nato obdelali še na CNC-stroju, da smo poravnali površine ter vrezali navoje. Zaradi oz- kega tolerančnega polja drsnih površin krmilnega bata (–0; +3 µm) smo ohišje ventila po obdelavi še fino brusili. Kovinsko natisnjen ventil po končni obdelavi je prikazan na sliki 10. 194 PROPORCIONALNI POTNI VENTILI Slika 8 : Volumski model kot rezultat topološke optimi- zacije novega ohišja ventila Slika 10 : Kovinsko natisnjeno, topološko optimirano ohišje ventila (86 mm x 44 mm x 41,5 mm) Slika 9 : Končan model topološko optimiranega ohišja ventila (86 mm x 44 mm x 41,5 mm) Ventil 3 / 2022 • Letnik 28 6 Meritve ventila Po tisku in obdelavi smo ventil še testirali. S tem smo dobili dejanske podatke o karakteristiki ventila. Da smo lahko direktno primerjali rezultate tokovne numerične analize in dejanskih meritev, smo izvedli meritve tlačnega padca pri znanem pretoku in pomi- ku krmilnega bata. Meritev karakteristike ∆p–Q nam je podala naslednje rezultate, prikazane na sliki 11. Če primerjamo rezultate tlačnega padca za raz- lične pretoke pri odprtju 3 mm in na istem grafu prikažemo rezultate numerične analize in dejanskih testov, opazimo, da je pri dejanski meritvi tlačni pa- dec skozi ventil do 28 % višji (slika 12). Razlog za to je, da pri numeričnih analizah nismo upoštevali, da bomo pri dejanskih testih med merilnikom tlaka in ventilom dobili še vpliv upora hidravličnih kompo- nent, kot so priključna plošča, kolena ter hidravlične gibke cevi. Vse te komponente so prispevale doda- tni hidravlični upor in s tem višji tlačni padec. Ker tlačni padec narašča s kvadratom po Bernoullijevi enačbi, se tudi razlika s povečevanjem pretoka po- večuje. Primerjava med karakteristikama pri odprtju krmilnega bata 3 mm je prikazana na sliki 12. Izvedli smo tudi merjenje karakteristike Q–s pri konstantnem tlaku. To karakteristiko dobimo tako, da krmilni bat postavimo v določeno pozicijo ter s spreminjanjem pretoka vzdržujemo konstantni tlač- ni padec. Meritve smo prekinili pri pretoku 30 l/min, saj je bil to najvišji pretok, ki ga je črpalka še lahko dovajala. Izmerjena karakteristika Q–s je prikazana na sliki 13.   7 Zaključki Zasnovali, preračunali in izdelali smo novo ohišje hidravličnega potnega ventila z dvema relativno novima postopkoma: s topološko optimizacijo in s 3D-tiskom kovin. Dokazali smo, da so 3D-tiskani izdelki dovolj kvalitetni, da vzdržijo visoke obreme- nitve in izboljšajo obstoječe tokovne in masne ka- rakteristike. Konvencionalno izdelani proporcional- ni ventili istega velikostnega razreda tehtajo 1,3 kg, 3D-tiskan ventil iz orodnega nerjavnega jekla pa le 0,38 kg. Masa topološko optimiranega ohišja je za 67 % nižja kot masa konvencionalnega ventila. Prišli smo do rešitve, ki ima poleg karakterističnih izbolj- šav tudi trajnostno naravnano prihodnost, saj pri izdelavi izdelkov s 3D-tiskom porabimo manjše ko- ličine energije kot pri klasičnem tlačnem litju ohišja ter nadaljnji obdelavi na CNC-stroju. Prav tako se ves neporabljen material lahko enostavno uporablja pri naslednjih izdelavah, medtem ko je pri odrezo- valnih postopkih potrebno odrezke pretaliti pred 195 PROPORCIONALNI POTNI VENTILI Slika 11 : Izmerjena karakteristika ∆p–Q kovinsko nati- snjenega ohišja ventila v odvisnosti od odmika krmil- nega bata Slika 13 : Izmerjena karakteristika Q–s kovinsko nati- snjenega ohišja ventila pri različnih tlačnih razlikah med vstopom in izstopom Slika 12 : Primerjava karakteristike ∆p–Q dejanskih me- ritev ter CFD-analize Slika 14 : Sestav topološko optimiranega kovinsko na- tisnjenega ohišja ventila z elektromagnetoma (246 mm x 62 mm x 45 mm) 1 Slika 11: Izmerjena Δp-Q karakteristika kovinsko - natisnjenega ohišja ventila v odvisnosti od odmika krmilnega bata 0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 35 Tlač n a  razlika  Δ p ,  b a r P r e t o k  Q ,  l/min 4,5  mm 3 mm 2 mm 1,5  mm 1 Slika 13: Izmerjena Q-s karakteristika kovinsko natisnjenega ohišja ventila pri različnih tlačnih razlikah med vstopom in izstopom 0 5 10 15 20 25 30 35 1 1 ,5 2 2 ,5 3 3 ,5 4 4 ,5 5 P r e t o k  Q ,  l  min ‐ 1 Pomik  s,  mm 5 bar 10  bar 20  bar 30  bar 50  bar 80  bar 100  bar 150  bar 1 Slika 12: Primerjava Δp-Q karakteristike dejanskih meritev ter CFD analize 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 50 60 Tlač n a  razlika  Δ p ,  b a r P r e t o k  Q ,  l/min CFD Dejanski  test Ventil 3 / 2022 • Letnik 28 196 ponovno uporabo, kar pa je izredno drag postopek. Literatura [1] D. Šenica: Proporcionalni potni ventil za vod- no hidravliko: diplomsko delo. Ljubljana, 2015. [2] ISO 4401:2005(E). Hydraulic fluid power — Four-port directional control valves — Mount- ing surfaces. [3] B. Vayre, F. Vignat, F. Villeneuve: Metallic ad- ditive manufacturing: State-of-the-art review and prospects. Mech. Ind. 13 (2012), str. 89–96. [4] Aidro Hydraulics: Aidro products catalogue 2018. Aidro Hydraulics, Taino, 2018. [5] EOS: Material data sheet EOS MaragingSteel MS1. EOS, München, 2017. [6] D. Findeisen: Ölhydraulik: Handbuch für die hydrostatische Leistungsübertragung in der Fluidtechnik. Springer-Verlag Berlin Heidel- berg, Berlin, 2006. PROPORCIONALNI POTNI VENTILI Designing, manufacturing and testing of proportional 3D-printed hydraulic directional control valve with topology optimization Abstract: When designing new products for production using additive manufacturing processes, developers have fewer constraints than when using traditional manufacturing processes such as CNC machining or die cast- ing. SLM, or selective laser melting, is a method of metal 3D printing in which the laser beam is guided by mirrors to melt the metal powder and create a solid body of the final product. By using the laser beam as main energy source for manufacturing, we are talking about significant savings in energy consumption dur- ing the manufacturing process. However, one of the reasons why 3D printing has not been serious compet- itor to traditional manufacturing methods is the time it takes to produce the final products. But if metal 3D printing were to be used for larger batches of 1000 parts or more, the cost would decrease due to the mass savings, and with many positive aspects that this process offers, these parts would be more comparable to other products on the market. We were faced with the challenge of developing a new 3D-printed hydraulic valve that would have better characteristics than conventionally manufactured valves, yet be cost effective to produce and sell on the market with ever increasing demands. The decision was made to use topology optimization based on a known internal geometry that was numerically tested. First, we created the inner geometry of new valve as solid body. This geometry was to be inverted to create a hollow structure at the end. Then, we numerically tested the strength of a model using FEA analyses and flow characteristic with CFD analyses. We mainly wanted to test how the structure would handle the pres- sure and forces applied, since much less material is used compared to conventionally manufactured valves. We focused on the displacement of the leading edge (fig. 4) of the valve, which proved to be a critical point of numerical results. These displacements had negative values at some locations which should be avoided at all costs, as this could mean blocking of the spool in the housing, making the valve unusable. We reduced these negative values by increasing the wall thickness. Numerically testing fluid flow through the housing (fig. 5), we simulated different scenarios based on var- ying inlet flow, spool displacement and temperature characteristics. We also compared numerical results of 3D-printed housing with conventionally manufactured one to ensure that pressure drop and other flu- id-based properties were improved (fig. 6). Using internal geometry and numerically applied loads as starting point for topology optimization, we cre- ated different types of meshes and decided on the best one based on the results. The optimal result had to give us the best stiffness-to-weight ratio. The result of topology-based optimization is a body consisting of small volumes derived from finite elements (fig. 8). Resulting geometry had to be parametrically shaped, giving us a model ready for printing (fig. 9). Printing was done on the EOS M290 metal 3D printer and was completed in 5 hours (fig. 10). The material chosen was stainless steel, which offers the best corrosion-re- sistant properties for use in water hydraulics. After printing, the housing was micro-pinned as primary way of surface. It was then CNC machined and fine grinded on leading edges to ensure tight fit between housing and spool. Finally, we tested the valve using water as hydraulic fluid. We tested pressure drop (fig. 11) at different flow rates and spool displacements. We also measured Q-s characteristic (fig. 13) at different pressure drops with the load applied to the valve outlet port. When comparing the pressure characteristics of numerical and physical tests, we found a deviating difference (fig. 12). This is because in the numerical tests of the hous- ing, we measured the parameters at the inlet and outlet of the valve, while in the real tests, we added the mounting plate, knee, and T-hydraulic connectors between valve and pressure transducers all adding up as resistance components. In future, we will need to either develop a mounting plate that has pressure sensors integrated close to the valve or to create a numerical model of all the interference factors. All in all, the entire design process of this 3D-printed valve was a success, as we were able to reduce the mass of the final product by 63% compared to conventionally manufactured valves. In addition, all flow- based characteristics were also improved, such as pressure drop, which is 25 bar lower at a flow rate of 50 l/min, a reduction of 20%. Keywords: metal 3D printing, hydraulics, additive technologies, optimization, numerical analysis, topology optimization