以下文章来源于生物设计与制造BDM ，作者生物设计与制造

疾速奔跑的猎豹和灵活攀岩的山羊等均表现出卓越的运动能力，如何学习动物的运动机理，辅助人类在非结构化环境中开展作业成为研究热点。四足机器人应运而生，依靠其离散的落足点，进而可适应多种地形，被广泛应用于地形勘探、城市作战、物资运输等领域。其中，液压四足机器人凭借其出色的大负载搬运能力，在诸多场合备受重视。肢腿单元作为机器人基本的运动单元，直接决定机器人的动态性能。

受猎豹等生物的骨骼肌肉系统的启发，浙江大学机械工程学院张军辉、纵怀志等学者组成的研究团队设计了一款高度集成、轻量化的伺服液压执行器，利用金属增材制造技术，实现集成多元件接口和内嵌流道的缸筒设计。

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论文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s42242-023-00256-0

研究团队针对活塞杆直接出力、异形结构难以开展轻量化设计的难题，创新提出混合晶格概念，将混合晶格结构填充在活塞杆中部，用定制的晶格结构替换更大的中空区域，实现性能定制。利用变密度惩罚法对大、小腿结构件进行拓扑优化，去除应力较小区域的冗余材料。优化后的肢腿单元质量降低了24.5%，优化后的肢腿单元表现出更好的动态性能：随着运动频率的增加，呈现出色的轨迹跟踪效果。该研究为液压足式机器人的轻量化设计和轻量化后的动态性能量化评价提供参考。

 图文概要

图1 足式机器人肢腿单元的仿生轻量化设计

图2 液压执行器的仿生设计

图3 缸筒和活塞杆的建模和力学性能验证。(a) 缸筒模型；(b) 缸筒受力分析；(c) 缸筒有限元分析；(d) 单一晶格结构；(e) 混合晶格单元；(f) 0.1体积比下的晶格屈服强度；(g) 活塞杆模型；(h) 活塞杆受力分析；(i) 活塞杆有限元分析

图4 液压执行器制造。(a) 缸筒实物图；(b) 活塞杆实物图；(c) 执行器辅件；(d) 高度集成的液压执行器

图5 肢腿单元结构件的优化流程。(a) 骨骼结构特征；(b) 原始模型；(c) 受力分析；(d) 优化前的有限元仿真结果；(e) 拓扑优化过程；(f) 优化后的模型；(g) 优化后模型的有限元仿真结果；(h) 拓扑优化后的结构件实物图

图6 不同频率下的足端轨迹跟踪效果。(a) 优化前；(b) 优化后

图7 不同频率下的髋、膝关节跟踪误差

论文应用信息：

Zong H, Zhang J, Jiang L, et al., 2023. Bionic lightweight design of limb leg units for hydraulic quadruped robots by additive manufacturing and topology optimization. Bio-des Manuf (Early Access). https://doi.org/10.1007/s42242-023-00256-0

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3D打印实现轻量化流体元件
©亚琛工业大学

根据3D科学谷，除了需要考虑如何去除困住的金属粉末（需要留有通道），还需要在将被加工的接口区域还添加了加工余量设计，以通过后期的后处理加工达到所需的装配公差。后期，或还需要进行 CT 扫描以确定是否所有粉末都已从通道中清除。

增材制造液压系统的优势

© 3D科学谷白皮书

 更轻、更简单

液压歧管是用于引导液压系统连接阀、泵和传动机构内的液体流动。它使得设计工程师可以将对液压回路的控制集成在一个紧凑的单元内。通过传统的加工技术制造液压歧管，首先要切割和加工铝合金或不锈钢坯料，使其达到规定的尺寸，之后进行钻孔以形成液体流动通道。由于要完成复杂钻孔，因此通常会用到特殊工具。通道内还需要一些堵塞头，以正确引导液体在系统内的流动路线。

移动机械的电气化对驱动概念和部件重量提出了新的要求。因此，体积可变、高度集成的组件日益成为研究的焦点。为了以节约资源和轻量化的方式制造这些部件，增材制造等新的制造技术正在被越来越多地使用。

与传统液压阀块规则的长方块状结构相比，3D打印-增材制造液压歧管带给人的最直观印象是其结构不再是规则的阀块，而是一组具有不规则形状的“管道”。

在液压歧管方面，基于3D打印-增材制造技术重新设计液压歧管价值体现在两个方面，一方面是重量得到减轻，使用的制造材料相应减少。另一方面是提高设计自由度，优化内部流体通道的设计，减少流体效率的损失。增材制造的液压歧管可应用在农业机械、赛车、航空、帆船等多种机械设备的液压阀体中。

需要注意的是当歧管的入口和出口保持与原来设计的位置相同时，虽然通过3D打印-增材制造技术提供了使用拓扑优化和创成式设计等技术来显着减少歧管质量的空间，所以说3D打印的液压歧管的设计并不是完全自由的，仍然受到组件整体位置的限制。

由于增材制造的几何自由度，可以设计和制造流量优化的通道，从而减少液压部件的功率损失。通过实施仿生几何结构，早在设计阶段就可以支持资源效率的提升，此外，HyRess项目项目通过增材制造和热后处理的智能结合，为减少二氧化碳排放做出了贡献。

HyRess项目通过增材制造实现的益处包括：轻质结构、流程优化、功能集成、节约资源、自动化程序。

HyRess项目的发力点包括几何元素识别、可增材制造通道几何形状的设计、后处理解决方案的开发、在紧凑型装置的阀块上测试样品。

HyRess项目由七个工作包（WP）组成，持续时间为 3 年。七个工作包在项目持续期间沿着整个流程链系统地收集数据，提供从生产到产品开发的直接反馈。

数字流程图
© ifas

亚琛工业大学ifas流体动力驱动和系统研究所的任务主要集中在数字工程领域，为了满足资源节约型生产和液压元件高度集成的需求，轻量化液压元件的构造原理越来越多地被采用。通过减少材料需求和减轻部件重量，可以节省二氧化碳。

然而，增材制造也带来了在开发过程中必须考虑的设计限制。例如水平构建方向上的圆形通道几何形状的最大直径。HyRess项目正在研究无需支撑结构即可完成的自支撑通道几何形状。增材制造液压部件的潜力将通过该项目中开发的演示器进行展示，演示器设计的主要目标是减轻重量、优化气流引导和紧凑性。

 更可持续

增材制造和热等静压（HIP）的结合正在研究中，预计这将使 LPBF的能耗和交货时间减少 80%。除了两阶段生产过程外，还在质量保证方面进行研究，以减少废品，以及基于生产数据的组件设计效率。通过测试水雾化粉末，该研究项目旨在替代目前用于增材制造的温室气体密集型气体雾化粉末。此外，作为工艺优化的一部分，联盟合作伙伴正在为自己设定目标，提高 LPBF 工艺中金属粉末的回收率和 HIP 工艺中氩气的回收率。

根据3D科学谷，当前一种用来探索去除被困粉末的方法是化学蚀刻。通过化学蚀刻可以去除大部分被困的粉末，也显着改善了表面光洁度。然而，对于化学蚀刻仍然无法去除的粉末，另外一种方法是在设计中添加了额外的除粉口，便于除粉。

此外，考虑到后期机加工端口的便利性，在设计过程中可以选择移动一些通道的设计，从而使得夹具保留在零件底部，并在一次装夹设置中通过5 轴机床可以加工液压歧管上的所有端口。

除了机加工后处理，根据3D科学谷，许多常见的抛光后处理技术可以使3D打印零件达到表面粗糙度的要求。然而，这些工艺不一定是制造商独立完成的，当需要外包加工时，就会产生运输和管理费用等额外的成本。当需要多方参与时，质量问题的风险也会增加。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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采用传统方式制造液压阀时，首先要从一个金属块开始，通过传统制造方法将金属块修整为所需外形，然后钻出供液压流体流通的内部管路。而想要精确地钻出这些管路非常困难，管路需要在特定点准确交汇，但在一些“盲”钻位置上，管路时常无法精确对准。此外，钻洞时需要开工艺孔并在最后加以密封，这就导致组件有可能在工艺孔的位置发生泄漏。传统液压阀块为规则的长方块状结构，而3D打印液压歧管带给人的最直观印象是不再是规则的阀块，而是一组具有不规则形状的“管道”。经过设计优化的3D打印液压歧管，将显著减轻重量，提高流体流动效率。

当使用传统铸造+CNC机加工制造方法生产时，液压阀芯通常必须由多个机加工部件组装而成。由于需要多个零件组成，制造过程要研究零件加工的每一工序，以确保同轴度、圆跳动和圆柱度的要求，保证零件的合格率。借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印，由于无需用户输入即可一次打印数千个，从而降低装配劳动力成本。

3D科学谷在第三版《3D打印与液压行业白皮书》中，结合液压传动市场，剖析了3D打印技术在其中的应用优势，揭示3D打印技术在这一细分领域的应用发展趋势。

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AIDRO 液压（属于Desktop Metal ）在Desktop Metal的Shop System 上3D打印的液压阀体。材料：17-4 不锈钢，3D打印阀体（左）比传统制造的阀门（右）轻 60%
© Desktop Metal

 轻量化的发展需求

随着电气化的不断发展，对轻量化组件的需求也将持续增长。轻量化组件的使用不仅可以减轻车辆的整体重量，还可以补偿电池和电动机等较重的部件。轻量化让人类拥有更小的碳足迹，实现在相同重量的情况下拖运更多的里程。

轻量化的途径
© 3D科学谷白皮书

由于 OEM 对可用于拖车应用的轻型气缸的需求不断增加，通过3D打印可以开发轻量化铝气缸技术。气缸采用铝制机身，内部有多个铝制部件，使其重量更轻，气缸也有一个空心杆，提供额外的重量减轻。

3D打印的轻量化铝制空心杆
© RAM

虽然市场上还有其他铝制气缸，但通过3D打印，可以开发一种带有空心杆的铝制圆柱体，为各种应用提供了更轻的解决方案。铝制气缸具有一些独特的功能，其中之一是位于气缸底部的端口。这样可以实现更轻松的安装并缩短管路长度，并根据其安装方式为气缸管路提供更多保护。

气缸也有一个内置的止回阀，它将气缸锁定在适当的位置，因此如果它的管线断裂，它就不能移动。由于止回阀内置于气缸中，因此无需使用单独的阀块，从而可以进一步减轻重量。

3D打印-增材制造可用于制造重量更轻的液压部件，意大利Aidro液压公司多年从事液压元件的制造，从通过传统的加工技术发展到一部分产品通过3D打印-增材制造，Aidro液压使用3D打印技术的秘诀在于能够改变制造商处理其组件设计的方式，采用增材制造的理念实质上意味着只在需要的地方保留材料。

大多数传统的液压系统制造都是从加工金属块开始的，这使得加工的时候必须要考虑到传统加工工艺的特点与局限性，包括CNC机加工只能加工出直的液体通道。

然而，通过3D打印-增材制造 (AM)，原材料（一种金属粉末）被不断添加以制造产品。与传统方法相比，这使得使用的材料更少，从而减轻了部件的重量，与液压设计相关的约束可以完全消除，从而允许更多的设计自由度。

 更自由的设计

Aidro液压通过使用增材制造发现，设计可以从通过组件的所需流道开始。通过创建流道，然后在需要的地方添加材料。根据需要的压力，可以决定添加更多或更少的材料。

© aidro(属于Desktop Metal)

这与传统的设计方法完全不同，拿液压歧管的加工来说，液压歧管是用于引导液压系统连接阀、泵和传动机构内的液体流动。它使得设计工程师可以将对液压回路的控制集成在一个紧凑的单元内。通过传统的加工技术制造液压歧管，首先要切割和加工铝合金或不锈钢坯料，使其达到规定的尺寸，之后进行钻孔以形成液体流动通道。由于要完成复杂钻孔，因此通常会用到特殊工具。通道内还需要一些堵塞头，以正确引导液体在系统内的流动路线。

© aidro(属于Desktop Metal)

另外一个例子，拿液压阀芯来举例，铸造阀芯的过程中存在铸造气孔、夹砂和杂质等缺陷挑战，造成阀芯外壁的裂纹和微孔，使得阀芯的生产率低、合格率低。同时砂型铸造精度低及泥芯偏置，导致铸造阀芯的壁厚严重不均匀及加工余量很大，后期CNC机加工的过程中材料消耗多。

此外，当使用传统铸造+CNC机加工制造方法生产时，液压阀芯通常必须由多个机加工部件组装而成。由于需要多个零件组成，制造过程要研究零件加工的每一工序，以确保同轴度、圆跳动和圆柱度的要求，保证零件的合格率。3D打印-增材制造可以避免多个零件组装的过程，通过结构一体化的方式实现零件的生产。

3D打印有很大的自由度来精确地创建需要的形状以及适合最终液压系统的形状，现在可以3D打印更轻、更紧凑，以及性能更好的液压系统。

3D打印液压系统的优势
© 3D科学谷白皮书

 发展中的材料选择

材料选择是一个重要因素，材料的选择会对轻量级组件的创建产生很大影响。将铝用于轻型液压缸不仅可以减轻重量，还可以确保防腐蚀。流体动力行业对重量更轻、壁更薄的结构有着强烈的需求。但是，强度可能会成为一个问题。

为了克服这个问题，可以使用更高强度的钢材。流体动力元件制造商还可以使用用陶瓷颗粒改性的钢，这可以提高刚度和弹性模量，同时保持强度。这将有助于抵抗屈曲并能够产生更薄的壁。对于一些常用的球墨铸铁，公司相信有机会修改化学成分以提高强度或延展性，从而实现轻量化或提高功率密度。

由于从乘用车到农业机械再到航空航天的各种行业和应用都可以从使用更轻的部件中受益，特别是随着电气化的加速，3D打印用于轻量化组件的发展将在未来几年继续增长。根据3D科学谷的了解，虽然目前轻量化是一个小众应用，但预计制造商将在未来几年寻找更轻量化的解决方案。

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值得注意的是，通常来说，传统方式制造的液压控制系统的零件与3D打印的液压零件的设计是不一样的。跟据3D科学谷的市场了解，目前部分企业将现有的液压控制系统的零件的设计用于3D打印来尝试，这几乎是行不通的。

那么3D打印液压系统的技术逻辑是什么，可以应用的3D打印-增材制造技术是哪些？设计上需要注意哪些因素？目前发展的现状是怎样的？本期，3D科学谷结合即将发布的第三版本的《3D打印与液压行业白皮书V3》与谷友分享3D打印在液压领域的发展潜力及目前可以发力的着力点。

3D打印液压歧管的设计、打印、机加工
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与经济实力息息相关

液压动力机械及元件制造行业的市场规模与国家的经济实力和工业化程度息息相关，《液压气动与密封》披露的估测数据，2010-2020年全球液压、气压动力机械及元件制造行业市场规模波动增长，年复合增长率为4.2%。2020年，全球液压、气动动力机械及元件制造市场规模约为349亿美元。我国液压件产业主要集中在山东、浙江、江苏等地区。

液压产品的销售构成
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I 国内主要的液压生产企业有：

609所、恒立液压、艾迪液压、赛克思液压、大港意宁、苏强格液压、隆源液压、华德液压、圣邦液压、海特克液压、力龙液压、黎明液压、泊姆克、榆次液压、恒通液压、高宇液压、岛津液压、枫阳液压等。

I 主机液压企业有：

柳工液压、徐工液压件、三一、中船重工、中航力源等。

完整的液压系统包括动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质。控制元件（即各种液压阀）在液压系统中起到控制和调节液体的压力、流量和方向的作用。

液压传统的构成
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控制元件的发展对于动力机械来说，其重要性有如芯片对于信息产业。那么面对3D打印所带来的产业转型升级机遇，国内的企业如何应对呢？

 3D打印液压控制系统的技术逻辑

根据3D科学谷，节约材料、更轻、降低压力损失、免焊接、减少组装……这是3D打印液压控制系统的技术逻辑。

3D打印液压元件的五大优势
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举例来说，通过金属3D打印技术来制造液压歧管，在进行产品设计时无需考虑交叉钻孔的设计约束，并且可以将锋利的角换成圆形弯曲的设计从而减少湍流现象。

拿液压歧管来举例，液压歧管是用于引导液压系统连接阀、泵和传动机构内的液体流动。它使得设计工程师可以将对液压回路的控制集成在一个紧凑的单元内。通过传统的加工技术制造液压歧管，首先要切割和加工铝合金或不锈钢坯料，使其达到规定的尺寸，之后进行钻孔以形成液体流动通道。由于要完成复杂钻孔，因此通常会用到特殊工具。通道内还需要一些堵塞头，以正确引导液体在系统内的流动路线。

传统制造工艺固有的局限性会导致相邻流动通道之间形成突兀的拐角，造成液体流动不畅和/或停滞，这是效率损失的一个重要原因。从流体力学的角度来看，传统方式加工的液压歧管在设计上存在许多有待改进的空间，这正是3D打印–增材制造技术可以发挥作用之处。

3D打印液压歧管
© aidro

另外一个例子，拿液压阀芯来举例，铸造阀芯的过程中存在铸造气孔、夹砂和杂质等缺陷挑战，造成阀芯外壁的裂纹和微孔，使得阀芯的生产率低、合格率低。同时砂型铸造精度低及泥芯偏置，导致铸造阀芯的壁厚严重不均匀及加工余量很大，后期CNC机加工的过程中材料消耗多。

此外，当使用传统铸造+CNC机加工制造方法生产时，液压阀芯通常必须由多个机加工部件组装而成。由于需要多个零件组成，制造过程要研究零件加工的每一工序，以确保同轴度、圆跳动和圆柱度的要求，保证零件的合格率。3D打印-增材制造可以避免多个零件组装的过程，通过结构一体化的方式实现零件的生产。

3D打印液压阀芯
© Desktop Metal

借助3D打印-增材制造技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印，由于无需用户输入即可一次打印数千个，从而显着降低了装配劳动力成本。

 3D打印液压控制系统的设计逻辑

与传统液压阀块规则的长方块状结构相比，3D打印-增材制造液压歧管带给人的最直观印象是其结构不再是规则的阀块，而是一组具有不规则形状的“管道”。

在液压歧管方面，基于3D打印-增材制造技术重新设计液压歧管价值体现在两个方面，一方面是重量得到减轻，使用的制造材料相应减少。另一方面是提高设计自由度，优化内部流体通道的设计，减少流体效率的损失。增材制造的液压歧管可应用在农业机械、赛车、航空、帆船等多种机械设备的液压阀体中。

需要注意的是当歧管的入口和出口保持与原来设计的位置相同时，虽然通过3D打印-增材制造技术提供了使用拓扑优化和创成式设计等技术来显着减少歧管质量的空间，所以说3D打印的液压歧管的设计并不是完全自由的，仍然受到组件整体位置的限制。

流体通道的设计需要考虑最大水平圆尺寸，最大水平圆尺寸，这些还需要结合材料和 具体用的是哪一种AM 增材制造工艺本身来决定。例如假如采用使用电子束熔化 (EBM) 工艺和钛合金 Ti-6Al-4V。根据3D科学谷的了解，与另外一种金属3D打印工艺-激光粉末床相比，EBM 工艺的好处之一是可以实现圆形通道尺寸的更大自由度，无需支撑结构即可生产。

对于较大的通道，可以将圆形通道的几何形状修改为泪珠形状，确保无需内部支撑结构即可打印通道。此外，流体通道可以采取平滑的设计，以减少急弯并减少连接处的角度，从而改善流体流动特性。

歧管内部的堵头在3D打印-增材制造设计中被移除，这是因为堵头是CNC机加工过程中需要钻孔所带来的导流设置，而在3D打印中，流道可以自由取向，并不需要堵头来进行流体流动导向。

根据3D科学谷的了解，除了需要考虑如何去除困住的金属粉末（需要留有通道），还需要在将被加工的接口区域还添加了加工余量设计，以通过后期的后处理加工达到所需的装配公差。后期，或还需要进行 CT 扫描以确定是否所有粉末都已从通道中清除。

当前一种用来探索去除被困粉末的方法是化学蚀刻。通过化学蚀刻可以去除大部分被困的粉末，也显着改善了表面光洁度。然而，对于化学蚀刻仍然无法去除的粉末，另外一种方法是在设计中添加了额外的除粉口，便于除粉。

此外，考虑到后期机加工端口的便利性，在设计过程中可以选择移动一些通道的设计，从而使得夹具保留在零件底部，并在一次装夹设置中通过5 轴机床可以加工液压歧管上的所有端口。

除了机加工后处理，根据3D科学谷，许多常见的抛光后处理技术可以使3D打印零件达到表面粗糙度的要求。然而，这些工艺不一定是制造商独立完成的，当需要外包加工时，就会产生运输和管理费用等额外的成本。当需要多方参与时，质量问题的风险也会增加。

总体来说，3D打印-增材制造液压控制系统的设计逻辑根据所选择的3D打印技术存在着进一步的区别，假如采取的另外一种3D打印技术，例如BJ粘结剂喷射金属3D打印，那么其设计所需要考虑的要素与PBF基于粉末床的金属3D打印具有更多的不同。

此外，仿真在设计中发挥关键的作用，拿直驱阀的设计举例，其复杂性及其几乎无限的可调节性意味着设计效率取决于准确的建模和大量的迭代。通过CFD进行迭代设计，而无需花费时间和成本来制作昂贵的原型。

 3D打印液压控制系统的技术类型，现状与展望

3D打印在液压歧管以及液压阀芯的制造方面独有独特的优势。主要应用的3D打印技术有PBF选区熔化金属3D打印技术，BJ粘结剂喷射金属3D打印技术，此外还有通过粘结剂喷射3D打印砂型模具与铸造结合的方式。

3D打印技术用于液压元件制造领域
© 3D科学谷白皮书

那么材料方面呢？很多液压领域的阀体需要的是锻造级别的性能，那么3D打印是否可以达到传统制造工艺所实现的性能呢？跟据3D科学谷的市场了解，目前，不锈钢（从AISI 304 到 316L）、铝、钛，镍基合金以及部分新材料的阀块都能够通过3D打印设备进行小批量生产。

一个典型的案例是Desktop Metal 根据 ASTM 测试要求在Desktop Metal的生产系统上打印了合格且完全表征的 IN625液压阀芯。在Desktop Metal的生产系统平台上打印IN625 零件不仅使得多个零件作为结构一体化零件制造出来，而且最大限度地减少了材料浪费，与传统制造方法相比，生产时间和零件成本也显着降低。

另外一个案例是阿斯顿马丁跑车（Aston Martin）与增材制造流体动力零件专家Domin合作，在六个月内开发出世界领先的主动悬架系统。新的设计提供了无穷的阻尼可变性，用于阿斯顿·马丁的悬架系统的设计基于Domin的专利阀门技术，涉及3D打印阀体芯，其中包含25个流体通道，通过这些流体通道的协同作用，以提供优异的控制性能。

这种控制单元内部的流道曲线特性只能通过3D打印-增材制造技术来实现，这也使其具有出色的机械性能。通过Domin的先进设计及3D打印加工能力，可以实现单位间隔的曲线特性，从而实现了悬架系统所需的机械性能。AST系统将在阻尼方面提供“无限”的可变性，具有高达0.015秒的阶跃响应，并且单元的重量低于4kg。

不过3D打印-增材制造技术在液压元件制造领域的发展，并不意味着将与传统减材制造技术成为竞争关系。相反，增材与减材是具有互补性的技术，其实在大多数情况下，通过机械加工等减材后处理技术与金属3D打印的组合才能加工出符合要求的阀体。

根据3D科学谷的市场判断，当前3D打印-增材制造在液压元件的制造方面处于“小荷才露尖尖角”的状态，不仅国际上几乎所有的液压元件制造商都在尝试和积累3D打印技术应用经验，国内主流的液压元件制造商也在积极进行探索。

那么什么样的应用，什么样的行业会率先在3D打印液压产品方面实现产业化规模生产呢？

根据3D科学谷的市场观察，每一个应用，特别是每一个行业，其所处的对液压产品的重量与成本追求都存在着一个微妙的平衡点，当前3D打印液压元件能够实现从1到n的产业化突破，取决于是否达到这个微妙的平衡点。

3D打印液压零件重量与成本结合点
© 3D科学谷白皮书

不过目前的发展还存在很多的挑战，除了3D打印技术本身的效率和质量一致性的挑战，认证方面是另外一个挑战，据3D科学谷了解，国内企业还缺乏整套的思路如何通过3D打印技术来制造出满足复杂且严苛的液压产品，尤其是军标方面。根据3D科学谷的市场研究，在这方面，制造型企业呼唤3D打印企业的全套培训与打印服务体系，只有双方携手，才能探索出切实可行的方案。

尽管存在很多挑战与困难，不久的未来，业界将看到部分的厂家将3D打印应用于更大产量的液压元件的制造，通过3D打印-增材制造应用于液压产品的制造，一切将发生改变。更深入的市场洞察与分析，请参考3D科学谷发布的第三版本的《3D打印与液压白皮书V3》。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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不过这种阀芯的加工充满挑战，本期，3D科学谷结合Desktop Metal通过粘结剂喷射3D打印技术来制造液压阀芯方面的探索，与谷友一起来洞悉粘结剂喷射颠覆制造的潜力。

借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印

©Desktop Metal

实现精密制造

 突破传统加工挑战

根据3D科学谷的了解，当使用传统铸造+CNC机加工制造方法生产时，液压阀芯通常必须由多个机加工部件组装而成。由于需要多个零件组成，制造过程要研究零件加工的每一工序，以确保同轴度、圆跳动和圆柱度的要求，保证零件的合格率。

借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印

©3D科学谷《上篇-3D打印与液压白皮书2.0》，《下篇-3D打印与液压白皮书2.0》

机加工阀芯的挑战还来自于刀具的选择，在加工难加工材老的时候，刀片的耐磨度要高，这样可以减少更换刀具的次数，否则刀具磨损后加工出的内孔尺寸不稳定，造成不合格的产品，带来进一步的浪费。

此外在上游的铸造过程也充满挑战，根据3D科学谷的了解，铸造阀芯的过程中存在铸造气孔、夹砂和杂质等缺陷挑战，造成阀芯外壁的裂纹和微孔，使得阀芯的生产率低、合格率低。同时砂型铸造精度低及泥芯偏置，导致铸造阀芯的壁厚严重不均匀及加工余量很大，后期CNC机加工的过程中材料消耗多。

借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印，由于无需用户输入即可一次打印数千个，从而显着降低了装配劳动力成本。

借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印

©Desktop Metal

Desktop Metal P1设备技术参数©Desktop Metal

根据3D科学谷的市场了解，液压阀的阀芯主要有滑阀和锥阀两种，阀芯在阀体内需要运动，因此间隙的大小需要保证良好的密封性和较小的运动阻力。加工过程是充满挑战的，其中在液压比例阀的加工中，譬如如果阀芯的圆柱度变形误差跳动，阀芯与阀孔的配合中，两者之间控制间隙量沿圆周分布不均匀，易造成润滑膜破坏，产生阀芯磨损和运动卡滞力干扰，这个问题在液压加工工艺方面一直是一大挑战。

液压阀体与阀芯的公差与配合mm© 《液压阀与阀芯的加工》

阀芯与阀孔的配合表面一般要求表面粗糙度Ra值为0.1~0.2μm。考虑到孔的加工比外圆困难，一般规定阀芯外圆的表面粗糙度Ra值为0.1μm，阀孔内圆表面的Ra值为0.2μm。

根据3D科学谷的市场观察，2021 年 10 月 14 日，大规模生产和增材制造解决方案商Desktop Metal宣布已批准将镍合金IN625 (IN625)用于其制造系统（Production System）平台，该平台利用正在申请专利的 Single Pass JettingTM (SPJ) 技术旨在实现金属增材制造行业的快速构建速度。

IN625 是一种镍铬高温合金，具有高强度、抗腐蚀和抗氧化性、具有出色的可焊性以及承受载荷部件的极端高温的能力。IN625 是一种广泛用于高温航空航天应用的关键材料，同时其在一系列温度和压力下的耐腐蚀性也使其成为船舶、发电和化学加工应用的绝佳选择。

根据3D科学谷的市场观察，收购exone后，Desktop Metal 预计在未来几个月内其的材料组合将继续快速扩展，以此加快部署Desktop Metal的增材制造AM 2.0 解决方案，以在越来越多的行业和应用中大规模生产最终用途的金属零件。

Desktop Metal 的材料科学团队根据 ASTM 测试要求在Desktop Metal的生产系统上打印了合格且完全表征的 IN625。在Desktop Metal的生产系统平台上打印IN625 零件不仅使得多个零件作为结构一体化零件制造出来，而且最大限度地减少了材料浪费，与传统制造方法相比，生产时间和零件成本也显着降低。

Desktop Metal的生产型3D打印机

通过粘结剂喷射制造阀芯如何与后期的机加工精加工进行配合，以达到阀芯与阀孔需要的表面质量？这是值得探讨的粘结剂喷射走向产业化之路面临的挑战之一。

此外，我们很容易好奇IN625镍铬高温合金作为难加工材料，通过粘结剂喷射3D打印技术制造将给制造业带来怎样的颠覆？

 突破更多

除了液压阀芯，IN625镍铬高温合金的应用场景很多，根据3D科学谷的了解，包括如下：

Desktop Metal的生产型3D打印机

涡轮叶片

涡轮叶片是航空航天工业燃气轮机或蒸汽轮机中使用的关键部件。由于其复杂的几何形状，包括优化空气动力学的有机曲线和确保叶片保持最佳温度的复杂冷却通道，这些叶片是批量生产中最具挑战性的部件之一。Desktop Metal的生产系统可以 3D 打印此类几何形状，否则使用传统制造方法进行生产将具有挑战性，并且需要先进的铸造和机械加工技术。IN625 是这些叶片的理想材料，因为它具有高拉伸、蠕变和断裂强度、疲劳和热疲劳强度以及耐腐蚀性。

阀体

阀塞用于调节化学加工环境中的强腐蚀性流体，在这些环境中，IN625 在一定温度范围内的耐腐蚀性使 IN625 成为绝佳的材料选择。传统上，这些零件将使用铸造生产，然后是为了得到关键尺寸精度的CNC后加工步骤。由于 IN625 是一种难以加工的材料，并且零件具有复杂的几何形状和有机曲线，因此传统的制造工艺将非常昂贵，而且模具交货时间长。Desktop Metal的生产系统可以按需生产多种配置的阀体，而无需为每种配置配备独特、昂贵的铸造工具，从而大大降低了生产成本。

内部燃烧区零件

飞机发动机中使用的燃烧区零件通常具有极其复杂的几何形状，这超出了大多数机加工车间的能力，并且需要多种加工设置和高级 CAM 编程。使用Desktop Metal的生产系统，该部件无需任何模具即可打印成近净形状，并且只需最少的加工设置即可在短短几个小时内修改关键的内部尺寸。此外，由于该燃烧部件在燃烧阶段承受极高的力和温度，因此 IN625 是理想的材料选择，因为它在这些环境中具有令人难以置信的材料特性。

四通阀壳

发电厂中用于处理腐蚀性流体的阀体通常具有复杂的内部特征，这使得它们难以或不可能使用传统制造工艺作为单个组件进行制造。IN625 是这些外壳的关键材料，因为它具有耐用性和耐腐蚀性。Desktop Metal的生产系统的SPJ 技术喷射使得该组件可实现结构一体化，减少零件数量、组装劳动时间和生产外壳的成本。

材料将释放3D打印产业化空间，根据3D科学谷的了解，Desktop Metal的生产系统材料库除IN625外，还包括17-4PH不锈钢、316L不锈钢、4140低合金钢，均已通过Desktop Metal认证。该平台还支持多种客户合格材料，包括银和金，此外，Desktop Metal 计划在其产品组合中添加更多金属，包括工具钢、不锈钢、高温合金、铜等。

关于3D打印在液压领域的应用前景剖析，请参考3D科学谷发布的《上篇-3D打印与液压白皮书2.0》，《下篇-3D打印与液压白皮书2.0》，关于3D打印在高温合金领域的剖析，请参考3D科学谷发布的《3D打印高温合金白皮书》。

Additive Manufacturing Conference增材制造国际会议 (ICAM) 是 ASTM AM CoE 的旗舰活动，每年举行一次。这是一个交流关于增材制造材料和组件的想法的论坛，重点是行业标准、设计原则以及资格和认证标准。ICAM国际会议设计有多个专题讨论会，吸引了来自增材制造所有适用领域的利益相关者。2021年ICAM召开在即-11月1-5日，（该活动可通过https://amcoe.org/ewd选择Additive Manufacturing Conference，或直接访问https://amcoe.org/icam2021，注册付费成功后在线播放。

l 备注：

- 选择您计划参加的以上项目，在Discount Code区域输入优惠码3DSV可享受官方给予的折扣优惠。在线付费为美元。（国内信用卡可用）。

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本期，3D科学谷结合英国制造技术中心-MTC为为增材制造而重新设计的航空航天液压歧管的案例，与谷友共同了解3D打印液压歧管与传统液压阀块在设计和性能方面有哪些不同，并为广大液压元件制造企业在利用增材制造技术进行液压元件产品设计优化升级提供参考。本文为第二部分。第一部分主要介绍了初始设计，从侧重于组件级重新设计出发。在第二部分中，将探讨该设计项目的第二次迭代，考虑了系统级重新设计方法。

© Gen3D

基于系统水平的设计

在这篇文章中，3D科学谷将从系统级重新设计的角度来看MTC英国制造技术中心如何重新设计该液压歧管。通过消除设计过程中的一些限制并移动歧管入口和出口的位置，MTC克服了在初始设计中遇到的一些除粉挑战。

在第一部分中，MTC考虑了为增材制造重新设计的歧管。具体来说，在第一次歧管重新设计中，MTC将歧管的入口和出口的位置保持在同一位置。这然而，在检查打印的歧管时，发现由于 EBM 过程中“烧结饼”的形成，粉末去除是一个重大挑战。

 重新设计的液压歧管

对设计进行了根本原因分析，MTC确定可以通过减少流体通道的长度并确保粉末不被困住，以促进更容易的粉末去除来克服粉末去除挑战。

l 流体通道重新设计

考虑到这一点，Gen3D 和 MTC 的设计团队对设计进行了试验，并测试了如果采用系统重新设计方法会发生什么。如果查看下图的承诺-收益曲线图，可以看到系统级重新设计需要对流程做出最大的承诺。这是因为可能需要移动子装配中的其他组件，但是，这也为任何为增材制造而重新设计的歧管的重新设计提供了最大的收益机会。

承诺与收益曲线显示如何为增材制造过程重新设计零件。© Gen3D

与更传统的 CAD 软件相比，Gen3D 的 Flow 模块允许用户快速重新设计流体通道。这意味着可以在不到一天的时间内将组件级重新设计从第一部分快速修改为系统级第二代部分。

两种模型之间的比较可以在下图中看到。

歧管比较 – 基于组件的重新设计（左图）和系统级重新设计（右图）的比较。

© Gen3D

从两张图片中可以看出，系统级的重新设计是一个更加紧凑的设计。此外，通过利用补偿功能必要时在流体通道的顶部添加了泪珠形状，并且还在流体通道的底部添加了泪珠形状以减少所需的支撑结构总量。

l  后处理设计

在流体通道之后，3D科学谷了解到MTC采用了与第一部分类似的方法，在 Autodesk Fusion 360 创成式设计程序中定义了载荷、约束、设计空间和空隙空间。

不过，在后处理方面设计人员设置了一些关键差异。

首先，设计人员在设计中添加了两个额外的除粉口。这些被放置在第一次迭代中发现被困粉末的位置，液压歧管上增加了除粉口，便于除粉。这对于 EBM 工艺尤其重要，因为在构建过程中会形成烧结饼。

© Gen3D

这有点违反直觉，因为增材制造的好处之一是可能减少组件中的组件数量。但是，有时保留额外的特征（例如除粉口）可能会有益，以减少零件后处理时的时间、精力和成本。

第二个区别在于CNC加工和夹具的设置。3D科学谷了解到在这种情况下，由于可以选择移动一些通道的设计，因此可以将所有夹具保留在零件底部，并在一次设置中通过5 轴机床加工液压歧管上的所有端口。

© Gen3D

机加工液压歧管© Gen3D

在这种情况下，对于单个原型零件，后加工处理的成本差异并不大，但对于生产运行而言，由于设计所带来的后加工的便利性，这种变化可能会显着节省成本。最后，MTC还通过将流体通道的内部形状修改为适用的菱形形状来减少库存材料消耗量。

 歧管的测试和检查

MTC 对歧管进行了一系列检查方法。这些包括条纹投影，使用 GOM 扫描仪和 X 射线 CT 扫描来检查流体通道内是否存在被困粉末。

叠加在 CAD 模型上的流形的条纹投影扫描© Gen3D

在这种歧管设计的情况下，粉末能够从歧管中完全去除，去除所有粉末意味着可以沿着增材制造工作流程，继续进行对端口接口的后处理加工。

 加工端口接口

为了实现与接口组件的正确配合，歧管的端口必须进行后加工。在该歧管设计中，夹具设计用于将歧管向下连接到 CNC 工件夹具。然后使用触发式探针测量端口以准确确定其位置，然后在 CNC 铣床上按照规格加工端口。

在这篇文章中，MTC从系统级重新设计的角度研究了航空航天液压歧管的重新设计。通过消除对设计过程的一些限制并开辟移动歧管入口和出口位置的可能性，就有可能克服除粉方面的一些挑战，然后对歧管进行机械加工以确保接口部件可以与歧管组装。

在第三部分中，3D科学谷将与谷友一起领略MTC如何检查该歧管的实验结果，并确定原来的歧管设计转移到增材制造的歧管所带来的功能性能优势。

更多信息，请参考3D科学谷发布的《上篇-3D打印与液压白皮书》，《下篇-3D打印与液压白皮书》。

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本期，3D科学谷结合英国制造技术中心-MTC为为增材制造而重新设计的航空航天液压歧管的案例，与谷友共同了解3D打印液压歧管与传统液压阀块在设计和性能方面有哪些不同，并为广大液压元件制造企业在利用增材制造技术进行液压元件产品设计优化升级提供参考。本文为第一部分。第一部分主要介绍初始设计，从侧重于组件级重新设计出发。

© Gen3D

基于组件水平的设计

Gen3D 和制造技术中心 (MTC) 最近合作开发了一个为航空航天重新设计的液压歧管。液压歧管是增材制造 (AM) 的理想选择，因为3D打印-增材制造具有减少质量和改善流量的巨大潜力。该项目表明，增材制造可以显着减少液压歧管的质量，同时确保增材制造工艺适合提供所需的机械性能。

© 3D科学谷 www.ganjiayu.com

这项工作是 DRAMA项目的一部分，DRAMA项目由英国研究与创新中心通过工业战略挑战基金 (UKRI) 资助，并得到航空航天技术研究所的支持。

 歧管的重新设计

原钢制液压歧管设计，如下图所示，重 28.5 公斤。歧管的最大工作压力为 250bar，在测试过程中必须进行 450bar 的爆破压力测试。

原液压歧管块设计，由钢坯加工而成© Gen3D

根据3D科学谷的了解，MTC决定在第一次设计迭代中，将歧管的入口和出口保持在同一位置。

这是即插即用的解决方案，只需将旧的歧管更换为 AM 增材制造的歧管，所有部件都可以无缝地装回原位。

不过当歧管的入口和出口保持与原来设计的位置相同时，虽然通过3D打印-增材制造技术提供了使用拓扑优化和创成式设计等技术来显着减少歧管质量的空间，但仍然受到组件整体位置的限制。

承诺与收益曲线显示如何为增材制造过程重新设计零件。© Gen3D

根据液压回路图，设计工程师重新设计了流体通道网络。Gen3D 软件内的点击和拖动用户界面使这个过程非常快速和简单。外部组件从相关目录中下载并在组装到原始歧管中的坐标处导入。

使用 Gen3D Flow 模块设计的内部流体通道© Gen3D

l 歧管的流体通道

流体通道的设计考虑了最大水平圆尺寸，最大水平圆尺寸由材料和 AM 增材制造工艺本身决定。歧管是在 MTC 英国国家制造技术中心使用 Arcam Q20 机器打印的，使用电子束熔化 (EBM) 工艺和钛合金 Ti-6Al-4V。与激光粉末床相比，EBM 工艺的好处之一是可以实现圆形通道尺寸的更大自由度，无需支撑结构即可生产。

对于较大的通道，Gen3D 的自动支撑补偿工具用于将圆形通道的几何形状修改为泪珠形状，确保无需内部支撑结构即可打印通道。此外，流体通道被平滑以减少急弯并减少连接处的角度，从而改善流体流动特性。

在这个设计中，通道在与原设计相同的位置连接，不同的是堵头被移除，因为堵头是CNC机加工过程中需要钻孔所带来的导流设置，而在3D打印中，留到可以自由取向，并不需要堵头来进行流体流动导向。

在下面的 CFD 速度剖面结果中可以看到通过平滑 90° 角而改善的流体特性。

CFD 仿真结果显示（左）急弯和（右）圆角, 圆角结果显示流体特性更均匀。© Gen3D

这些结构很容易从 Gen3D 的软件中导出为 STEP 文件，然后导入回 CAD 软件，以便继续设计过程并准备打印设计。

l 创成式优化设计

设计工程师将流体通道从 Gen3D 导出到传统的 CAD 软件中，然后使用 Autodesk 的创成式设计解决方案来优化歧管的整体结构。

© Gen3D

为实现这一目标，设计工程师考虑了使用中部件的内部流体压力以及在后处理阶段需要进行的加工余量。Autodesk 的创成式设计解决方案考虑到了后加工的衔接，绿色部分显示设计中必须保留的余量空间，红色部分显示不能放置材料的区域。

© Gen3D

 液压歧管的3D打印

零件通过创成式设计程序完成设计，并添加了额外的支撑，文件被发送进行3D打印。这时候，在将被加工的接口区域还添加了加工余量设计，以通过后期的后处理加工达到所需的装配公差。

EBM技术打印的 Ti6Al4V 合金液压歧管，两个图片中都移除了支撑，但没有进一步的后处理

© Gen3D

 检查分析

后处理阶段包括移除构建板，然后是手动移除粉末。此外，还需要进行 CT 扫描以确定是否所有粉末都已从通道中清除。在这个案例中，扫描结果表明，一些被困粉末仍留在通道中。

CT 扫描图像可视化内部通道。尽管存在一些噪音，但很明显一些粉末仍被困在非视线通道内

© Gen3D

 化学蚀刻以去除被捕获的粉末

一种用来探索去除被困粉末的方法是化学蚀刻。通过化学蚀刻可以去除大部分被困的粉末，也显着改善了表面光洁度。然而，一些被困的粉末仍然留在歧管内。

（左）显示化学蚀刻槽中歧管的照片和（右）显示化学蚀刻过程后液压歧管的照片。可以看到组件表面粗糙度有显着改善

© Gen3D

在下一篇文章中，将探讨该设计项目的第二次迭代，该项目考虑了一种系统级重新设计方法，可以修改入口和出口的位置。

更多信息，请参考3D科学谷发布的《上篇-3D打印与液压白皮书》，《下篇-3D打印与液压白皮书》。

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芬兰核电公司Teollisuuden Voima（TVO）和Fortum在Olkiluoto核电厂对第一个具有3D打印外壳的阀体进行了联合测试。阀壳的供应商是Neles。

《3D打印与液压白皮书》©3D科学谷

验证增材制造独特零件的可行性

该项目3D打印的阀体外壳为尺寸为20 x 40厘米，3D打印外壳内的实际阀是标准的T5系列不锈钢球阀。

Neles公司在数年前就开始测试3D打印技术对金属部件的适用性，并于2018年提供了第一批带有非保压3D打印金属部件的阀体。

根据Neles 技术开发总监Jukka Borgman，阀体是压力保持部件，必须对阀体材料进行广泛的测试，例如，对拉伸强度和抗冲击性进行测试，以确保其在过程中安全可靠。

现场测试将提供大量有价值的信息，说明使用3D打印以显著加快交货时间生产保压零件的可行性。3D打印还可以在降噪阀芯中更有效地利用材料和优化流体路径，与传统生产的阀芯相比，具有卓越的性能。

3D打印可以帮助Neles 针对应用及客户特定需求进行阀体优化。这次与核电公司TVO 开展的联合测试，将为Neles 提高阀体可靠性、性能和材料效率提供有价值的信息。

TVO的生命周期管理工程师Dino Nerweyi 表示，3D打印阀体壳以及任何3D打印应用，在核电厂供应商数量减少的情况下，为TVO提供了替代性方案。TVO 有可能通过内部增材制造技术来生产独特的核电零部件。

Fortum 的设计工程师TomiRäihä表示，Fortum希望为在制造核电站安全分类组件中利用3D打印的可能性做出贡献。如果制造商不再直接提供组件，则3D打印可以节省大量备件制造成本。

更多关于3D打印技术在液压阀体制造领域的应用，请前往《3D打印与液压白皮书-上篇》，《3D打印与液压白皮书-下篇》。

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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主题

液压核心元件增材设计与制造

分享嘉宾

贺进

安世亚太增材制造与先进设计工程师
本期亮点

增材制造技术会给液压产品带来何种革新？

哪些仿真技术可以帮助液压产品的增材设计？

本期内容

液压系统与液压核心元件工作原理介绍

CAE仿真技术和增材制造技术在液压元件优化设计中的应用

液压产品增材设计与制造应用案例

液压传动是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，目前在国民经济的各个领域中应用十分广泛，液压元件市场容量大，近年来行业逐步进入相对稳定和成熟的阶段，行业增长率也保持在相对稳定的水平。

而增材制造技术的优势和特点也将推动液压系统的进化和发展，目前在液在液压产品的阀门，轴向和径向柱塞泵，液压泵、液压集成阀块等核心元件方面都有应用。在过去5年中，国际上著名液压制造商和制造业用户也都在积极应用增材制造技术。

来源：安世亚太

增材制造技术在实现液压元件轻量化、提高流动效率、无模具、可快速迭代等方面具有优势。这一切看似简单，但实践过程并不容易。液压制造商必须考虑流体、压力所带来的设计复杂性，考虑如何在系统内部定位歧管，内部支撑的放置位置等众多因素。对于液压制造商而言，应用增材制造技术的更大难处在于，如何制造根据“增材制造设计思维”开发液压元件。

《3D打印与液压白皮书2.0》来源：3D科学谷

传统液压元件与3D打印液压元件在设计上有着显著的不同。以液压阀为例，传统液压阀块为规则的长方块状结构，而3D打印液压歧管带给人的最直观印象是不再是规则的阀块，而是一组具有不规则形状的“管道”。

传统加工方法的制约某种程度上使得流体与结构拓扑优化后的液压零部件加工制造遭遇一定的难度，而仿真技术与3D打印-增材制造技术结合，正在突破着传统液压元件设计思维与制造的局限性，并推动液压元件设计优化与性能升级。

本期微课将介绍CAE仿真技术和增材制造技术是如何介入液压产品的设计当中，以及将给液压产品带来何种革新。

收看微课，3D科学谷微信公众号下方菜单栏

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