Создавайте лучшие гидравлические компоненты с 3D печатью металлом

Создавайте лучшие гидравлические компоненты с 3D печатью металлом

Сложные гидравлические компоненты, выполненные с помощью металлической 3D печати, могут содержать детали, которые трудно или невозможно дублировать с помощью обычной обработки, а вес и размер уменьшаются без ущерба для производительности.

 

Гидравлические насосы, цилиндры и другие приводы обеспечивают большую мощность в небольших упаковках, чем двигатели, электродвигатели и механические приводы. Гидравлические клапаны легко управляют направлением, скоростью, крутящим моментом и силой, от чего-либо от простого ручного управления до сложных электронных элементов управления.

Тем не менее, методы производства, которые создают эти гидравлические компоненты, не поспевают за расширением сферы применения. Используйте 3D печать металлом — она предлагает новые возможности для использования высоко-плотной мощности гидравлических технологий за счет улучшения конструкции и производства таких компонентов, как манифольды, клапанные блоки и золотниковые клапаны.

Трехмерная печать, начавшаяся как быстрое прототипирование, продвинулась дальше своих оригинальных пластиковых материалов, чтобы охватить многие металлические сплавы. Несмотря на то, что трехмерная печать не является практичной или экономичной для производства больших объемов, она имеет много преимуществ при производстве металлических гидравлических компонентов в небольших количествах и специальных конструкциях.

Без ограничений обычной обработки, детали могут быть разработаны для наиболее эффективного сочетания производства и производительности. Внутренние каналы могут быть оптимизированы для более высокого расхода и более низкого падения давления. Также возможно создать несколько прототипов в течение нескольких часов, чтобы определить лучший дизайн. Кроме того, компоненты могут быть изготовлены из различных материалов, включая нержавеющую сталь (от AISI 304 до AISI 316L), алюминий, титан и новые материалы, все еще находящиеся в разработке. Исключаются источники потенциальной утечки от вспомогательного бурения и последующего забивания.

Хотя гидравлические компоненты могут изготавливаться либо традиционным производством, либо 3D-печатью, традиционное производство представляет собой субтрактивный процесс, который начинается с заготовки, обычно металлического литья или стержня. Материал удаляется, как правило, с помощью ЧПУ, чтобы оставить желаемую форму. При этом часто остается избыточный материал, чтобы сэкономить средства для его удаления, в результате чего вес детали больше, чем необходимо.

Машинная обработка также ограничена в способности производить много желаемых конфигураций. Проходы в обычных коллекторах часто должны быть расположены так, чтобы препятствовать пересечению поперечных просверленных каналов и обеспечить достаточный материал между каналами для обеспечения достаточной прочности. Вспомогательные отверстия, просверленные для подключения внутренних проходов, возможно, необходимо закупорить, создавая потенциал для будущей утечки.

 

Трехмерная печать, напротив, представляет собой форму аддитивного производства, которая строит желаемую деталь слой за слоем.

 

При 3D-печати каналы потока могут быть размещены точно там, где они необходимы, и в оптимальных размерах и форме. До сих пор проточные каналы, особенно в таких компонентах, как катушки клапана, как правило, были круглыми, поскольку они обрабатывались вращающимися режущими устройствами. Создавая компонент слоями, дизайнеры могут указывать конфигурации, которые были бы трудными или невозможными с использованием обычных методов изготовления.

Например, пути потока могут быть выполнены с поперечными сечениями, которые являются квадратными, а не круглыми, увеличивая пропускную способность на 20% с той же шириной канала. Конструкция канала может быть оптимизирована для достижения большего потока в меньшем пространстве. Проходы, соединяющие внутренние каналы, не должны обрабатываться снаружи коллектора, исключая необходимость в закупорке для отверстий.

В процессе используется лазер, управляемый компьютером, для расплавления каждого слоя металла, поскольку он наносится для построения детали. По словам Альберто Такконелли, управляющего директора Aidro SrL, Тайно, Италия, наиболее подходящим типом металлической 3D-печати для гидравлических компонентов в настоящий момент является сплавления порошкового слоя либо с помощью прямого металлического лазерного спекания (DMLS), либо с помощью селективного лазерного плавления (SLM).

DMLS нагревает металлический порошок до такой степени, что частицы сливаются вместе на молекулярном уровне. Пористость спеченного материала контролируема. И DMLS может использоваться с различными сплавами, позволяя создавать функциональные прототипы из того же материала, что и производственные компоненты. С SLM металлический порошок не просто сплавляется, но фактически расплавляется в однородную часть лазером большой плотности. Из-за пониженной пористости детали, изготовленные с помощью SLM, могут быть более прочными, с большим контролем над кристаллической структурой. Однако этот процесс считается осуществимым только при использовании одного металлического порошка.

 

Когда подходит 3D печать?

 

Такконели ссылается на следующие моменты, которые следует учитывать при принятии решения о том, следует ли производить деталь с использованием трехмерной печати:

Количество. Традиционное производство более подходит для крупномасштабного производства, тогда как трехмерная печать может быть более экономичной или практичной для небольших объемов сложных или специализированных гидравлических компонентов.

Время выполнения производства. Субтрактивные процессы, такие как обработка с ЧПУ, могут потребовать времени от 30 до 60 дней для получения компонента из металлического стержня или от 6 до 12 месяцев, если требуется литье. Для 3D-печати гидравлические компоненты могут быть напечатаны по требованию в течение нескольких дней. Если печатные детали требуют оснастки, время выполнения может увеличиться до одной или двух недель.

Прототипирование. С 3D-печатью одновременно можно создавать несколько вариантов прототипа, что позволяет оценивать альтернативы дизайна.

Выбор материала. Гидравлические компоненты должны иметь достаточную прочность и коррозионную стойкость, чтобы безопасно обрабатывать высокие давления, обычно находящиеся в гидравлических системах. Трехмерная печать может предложить более широкий выбор материалов, включая нержавеющую сталь (AISI316L), алюминий, титан (Ti6Al4V), Inconel (625 или 718) и мартенситностареющие стали.

 

Что насчет свойств материала?

 

Поскольку металлическая трехмерная печать относительно нова в области гидравлики, возникает вопрос о том, как материальные свойства трехмерных печатных деталей сравниваются с материалами традиционных процессов. Хотя типичные механические свойства, такие как прочность на растяжение, предел текучести и модуль упругости, по-видимому, сопоставимы, в зависимости от выбора материала, высокие давления, которые часто встречаются в гидравлических системах, заслуживают дополнительного рассмотрения.

При правильном выборе материала и конструкции компоненты могут выдерживать эти давления, но они также могут столкнуться с пульсациями удара и давления, которые сложнее учесть. Например, коллекторы часто изготавливали из ковкого чугуна или других пластичных материалов для обработки этих пульсаций, но эти материалы не поддаются аддитивно-производственному процессу. Материалы из железа и углеродистой стали также попадают в эту категорию, поскольку исходный материал должен существовать в виде порошка.

 

Такконели говорит, что, хотя не все металлы могут быть 3D напечатаны, Aidro обычно использует алюминий и нержавеющую сталь для трехмерных печатных гидравлических коллекторов. Он утверждает, что механические свойства этих материалов эквивалентны (или в некоторых случаях лучше) металлам, произведенным из заготовки. Результаты, добавляет он, являются результатом дизайна как материала.

Компания использует метод конечных элементов (FEM), чтобы предсказать, как продукт будет реагировать на реальные силы и показать, будет ли он работать так, как он был разработан. Такконели объясняет, что «с хорошими методами проектирования мы можем 3D-распечатать гидравлический коллектор, который без проблем может выдерживать пики давления в системе. Мы можем увеличить толщину стенки и изменить формы каналов, где анализ FEM указывает на потенциальный сбой». После печати коллектора компания тестирует его на месте и проводит дальнейшие испытания при поддержке Политехнического университета Милана.

Конкретный процесс 3D печати и выбор оборудования также влияют на результаты. Такконели говорит: «После тщательной оценки мы выбрали процесс прямого металлического лазерного спекания, который в случае гидравлических изделий гарантирует лучшую точность и обеспечивает более гладкую поверхность». Он добавляет, что сертифицированные параметры машины и высококачественный металлический порошок гарантируют повторяемость процесса и качество продукции.

Сочетание факторов может влиять на свойства готовой детали и использоваться для контроля конечного результата. Тим Симпсон является профессором механической и промышленной инженерии в Университете штата Пенсильвания, а также содиректором Центра обработки инновационных материалов посредством прямого цифрового наслоения. Он говорит, что каждый объект будет нагреваться и охлаждаться несколько иначе, в зависимости от скорости и энергии при взаимодействии с металлическим порошком. Эта «тепловая история» будет влиять на микроструктуру объекта, что, в свою очередь, влияет на его материальные свойства, такие как прочность, жесткость и эластичность.

Симпсон, который также был председателем Конференции и Выставки ASME по Аддитивному Протзводству и 3D печати в 2015 году, указывает, что большинство 3D-печатных металлических объектов требуют некоторой последующей обработки, из-за напряжений, возникающих при повторном нагреве и охлаждении, вызванных лазером. Он объясняет: «Для традиционных субтрактивных процессов вы начинаете с известного материала, а затем создаете форму. Но в этом случае вы 3D-печатаете деталь для создания фигуры, а затем вы термически или химически обрабатываете ее, чтобы фактически получить материал, который вы хотите».

Прогресс также сделан для 3D-печати некоторых сплавов, которые ранее не были пригодны для аддитивного производства, включая высокопрочные несварные алюминиевые сплавы, такие как Al7075 или Al6061. Эти сплавы обычно развивают серьезное горячее растрескивание, которое может возникать при лазерном нагреве процесса 3D-печати. Для решения этой проблемы ООО «HRK Laboratories» разработало технологию, которая объединяет эти металлические порошки с наночастицами, что предотвращает горячее растрескивание и приводит к отпечатанной детали с полной легированной прочностью.

Как уже говорилось, трехмерная печать лучше всего подходит для небольших объемов. Но ее способность уменьшать вес детали за счет использования оптимального количества металла делает этот процесс идеальным для применений, требующих высокой точности и легкого веса, таких как аэрокосмическая, авиационная и медицинская техника. Сельскохозяйственная техника — еще одна важная область, где эта технология может использоваться для прототипов деталей, оснастки и запасных частей, а также для специализированных деталей с небольшим объемом производства. В целом, трехмерные детали также лучше всего подходят там, где они должны быть более компактными, чем это можно достичь с помощью обычных технологий изготовления.

 

Типичные области применения

 

Многие типы гидравлических компонентов уже производятся с 3D-печатью. Например, Aidro напечатала блок гидравлического клапана из нержавеющей стали для управления цилиндром одностороннего действия (рис.1). Компания смогла сэкономить место и оптимизировать свои внутренние каналы для более высокого расхода с более низкой потерей давления, чем с обычными компонентами. Поскольку вспомогательное сверление не требовалось, также исключалась возможность внешней утечки.

1. 3D-печать этого блока гидравлического клапана из нержавеющей стали уменьшила его размер и улучшила поток. (Предоставлено Aidro SrL)

 

Кроме того, конструкция и изготовление штабелируемого гидравлического клапана были улучшены с помощью 3D-печати (рис.2). Прямоходный редукционный клапан был изготовлен из стали и оцинкован, чтобы противостоять коррозии. Когда клиенту Aidro требовалось небольшое количество клапанов, время и стоимость обработки с ЧПУ были неприемлемы. Вместо этого клапан был перепроектирован для 3D-печати из нержавеющей стали, что уменьшило вес на 60%. Его структурные стены были такими же сильными, как и в оригинальной части, и новый дизайн был испытан под давлением до 250 бар с сопоставимыми результатами.

2. Гидравлический клапан слева был обработан из стали, а затем оцинкован для коррозионной стойкости. Переработанный клапан (справа) был изготовлен 3D-печатью из нержавеющей стали. 3D-печатная версия весит на 60% меньше, но сохраняет ту же прочность, что и обработанная деталь. Обычную часть можно было бы сделать легче, обработав (вычитая) ненужный материал, но с гораздо более высокими издержками производства. (Предоставлено Aidro SrL)

 

В течение нескольких лет Domin Fluid Power, Бристоль, Англия, разрабатывает гидравлические клапаны, насосы и более сложные подсистемы, разработанные специально для аддитивно-производственного изготовления металлом. В первой половине этого года компания будет запускать гидравлический сервопривод с прямым приводом с бортовой электроникой (рис.3).

3. Ожидается, что в следующем году этот сервопривод с прямым приводом с бортовой электроникой обещает существенные преимущества по сравнению с текущими проектами по конкурентоспособной цене. (Предоставлено Domin Fluid Power Ltd.)

 

Маркус Понт, генеральный директор Domin, говорит, что новый сервоклапан предлагает улучшения по сравнению с текущими проектами в номинальном потоке по размеру, эффективности и весу, поддерживая конкурентоспособную цену от упрощенного производства. Эти улучшения производительности основаны на сравнении с современными сервоприводами.

По сравнению с существенным конкурентным продуктом, Понт говорит, что сервоклапан Domin обеспечивает 25% -ное повышение номинального потока для его размера, на 20% меньше утечки. Он также занимает на 25% меньше объема, 15% от веса и содержит на 40% меньше деталей, что упрощает производство.

4. Этот 3D напечатанный коллектор для сельскохозяйственной техники имеет половину размера и весит на 75% меньше, чем традиционно изготовленная деталь. (Предоставлено Aidro SrL)

 

Другим примером от Aidro является гидравлический коллектор, используемый в сельскохозяйственных машинах (рис.4). Этот коллектор управляет цилиндром двойного действия с двумя электромагнитными клапанами и двумя контрольными клапанами с пилотным управлением. Трехмерный печатный коллектор выполняет те же функции, что и блок, который он заменяет, но на половину размера и на 75% легче, чем предыдущий. Деталь состоит из алюминиевого сплава AlSi10Mg, 6000, который сочетает в себе хорошие прочностные и тепловые свойства с малым весом и гибким потенциалом последующей обработки. Он часто используется для деталей с тонкой стенкой и сложной геометрией.

Как сообщает отчет Такконели, испытания давлением показали, что механические свойства, такие как прочность на растяжение, удлинение, ударная вязкость и твердость, должны быть такими же хорошими или лучше, чем коллекторы из традиционных материалов. Эксплуатационные характеристики сопоставимы с традиционной деталью или превосходят ее, поскольку изогнутые формы внутренних каналов не имеют 90-градусных углов на пересечениях.

5. Этот гидравлический коллектор, 3D напечатаный в виде одной детали, весит на 70% меньше, чем заменяемый 17-элементный узел, однако он выдерживает те же испытания на давление и усталость. (Предоставлено PIM State CIMP-3D)

В CIMP-3D Penn State гидравлический коллектор был 3D напечатан как единое целое (рис.5). Он весит на 70% меньше, чем 17-детальная сборка, которую он заменил, но выдерживает те же испытания на давление и усталость.

Aidro переработала золотниковый клапан для 3D-печати с новыми формами отверстий, заменив круглые отверстия квадратными отверстиями (рис.6). Это увеличивает площадь прохода масла внутри катушки и уменьшает падение давления.

6. Оригинальная катушка клапана (слева) имела круглые отверстия, необходимые для обработки с ЧПУ. Катушка, переработанная для 3D-печати, имеет квадратные отверстия с большей площадью, чтобы уменьшить падение давления. (Предоставлено Aidro SrL)

 

Это лишь некоторые из способов, которыми 3D-печать металлом расширяет возможности для улучшения проектирования и производства компонентов в области гидравлики. Согласно докладу Infinium Global Research, ожидается, что на глобальном рынке 3D-печати металлом будет средний годовой темп роста в 33% за 2017-2023 годы. Гидравлические применения обещают быть важной частью этой расширяющейся области.

No Comments

Post A Comment

Подпишитесь на рассылку новостей
Аддитивного Производства, чтобы быть
профессионалом в современных
промышленных технологиях

Вы успешно подписались на рассылку.

There was an error while trying to send your request. Please try again.

СМАРТПРИНТ - Прямое Цифровое Производство will use the information you provide on this form to be in touch with you and to provide updates and marketing.