3D-Druck hat disruptive Auswirkungen auf die Verarbeitung von Hydraulikventilblöcken
Der 3D-Druck in der Hydraulik kann hydraulische Komponententeile (siehe Abbildung 26-307), hydraulische Ventilblöcke (siehe Abbildung 26-308) und Sandmodelle für den Hydraulikguss umfassen. Einer der Schwerpunkte ist die Herstellung von Hydraulikventilblöcken mittels 3D-Druck. Der 3D-Druck von Hydraulikkartuschen-Ventilblöcken ist das repräsentativste und erfolgreichste Beispiel für den 3D-Druck in industriellen Anwendungen. Durch den Einsatz des 3D-Drucks sind die Ergebnisse bei der Bearbeitung von Patronenventilblöcken sehr aussagekräftig.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Gestaltung eines sehr komplexen internen Strömungswegs das Gewicht erheblich reduzieren und das Leistungsgewicht von Hydraulikkomponenten verbessern kann. Diese Konstruktion vereinfacht und beschleunigt die Verarbeitung und macht sie effizient und kostengünstig. Sie optimiert die Form des hydraulischen Strömungsweges und reduziert sowohl den Reibungswiderstand als auch den lokalen Widerstand, wodurch der durch den hydraulischen Strömungsweg verursachte Leistungsverlust verringert wird. Es verbindet auch direkt die CAD-Konstruktion und die CAE-Bearbeitung des Ventilblocks, wodurch eine modernisierte Bearbeitungsmethode erreicht wird. Kurz gesagt, für den Ventilblock Verarbeitungstechnologie zu bringen disruptive Veränderungen.
Die Vorteile des 3D-Drucks für die Produktion in Unternehmen lassen sich kurz wie folgt auflisten.
1) Gestaltungsfreiheit, individuelle, vereinfachte, leichte und montagefreie Gestaltung.
2) keine Form, kann schnell iterative und flexible Prototyp-Fertigung werden.
3) Kürzere Vorlaufzeiten, mit Fertigungszeiten von Wochen bis zu Tagen, einschließlich günstiger Wartungskontingente.
4) Energieeffizient.
5) Optimierung der internen Strömungswege im Ventilgehäuse, Verringerung des Druckverlusts im Ventilgehäuse, Verringerung des hydraulischen Energieverlusts.
6) Geringere Prozessverstopfung und weniger mögliche Leckstellen.
7) Gestaltungsfreiheit mit mehr nutzbaren inneren und äußeren Teilegeometrien.
8) Optimierung des Designs und Reduzierung der Masse.
9) Höhere Funktionsintegration und geringere Größe.
10) Bessere Realisierung der Kontrolle der mechanischen Eigenschaften.
Derzeit ist die in- und ausländische Forschung und Entwicklung im Bereich der additiven Fertigung (AM) sehr aktiv. So entwickelt Bosch Rexroth ein 3D-Druck-Hydrauliksystem, insbesondere das darin enthaltene Servoventil. Zu den Projektpartnern gehören das berühmte deutsche Familienunternehmen für Werkzeugmaschinen (TRUMPF) und der Experte für die Herstellung von Pulvermaterialien (Heraeus). Auch chinesische Hydraulikunternehmen haben sich in diesem Bereich engagiert, wie Sykes Hydraulic Technology Co.
Allerdings gibt es bei der derzeitigen Entwicklung noch viele Herausforderungen. Neben der Effizienz der 3D-Drucktechnologie selbst und der Herausforderung der Qualitätskonsistenz stellt die Zertifizierung eine weitere Schwierigkeit dar. Chinesischen Unternehmen fehlt es noch an einem umfassenden Konzept, wie sie die Komplexität der Anwendung der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung von Hydraulikprodukten unter komplexen und schwierigen Bedingungen bewältigen können. Die Branche muss so bald wie möglich ein umfassendes öffentliches Dienstleistungssystem aufbauen. Dies wird dazu beitragen, diese neue Technologie zu einem Werkzeug für die Steigerung der Produktivität zu machen. Die Branche muss ein öffentliches Dienstleistungssystem aufbauen, um diese neue Technologie zu einem Werkzeug für die Produktivitätsentwicklung zu machen.
Derzeit befindet sich die Anwendung der additiven Fertigung von Hydraulikventilblöcken noch in der Phase der Designprüfung bei der Entwicklung neuer Produkte. Sie wird auch für die Einzelfertigung von Kleinserien und die Herstellung spezieller komplexer Teile eingesetzt. Außerdem wird die additive Fertigung bei der schnellen Herstellung von Formen eingesetzt. Im Hinblick auf die Entwicklung des 3D-Drucks wird diese Technologie in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Sie wird zu einem Mittel für die Verarbeitung hydraulisch integrierter Ventilblöcke in der Serienproduktion. Im Vergleich zu traditionell hergestellten Hydraulikteilen hat der 3D-Metalldruck in der Luft- und Raumfahrthydraulik erhebliche Verbesserungen gebracht. Die erste Anwendung dieser Technologie führte zu einer Gewichtsreduzierung des wichtigsten Hydraulikteils für die Flugsteuerung. Außerdem konnten dadurch 10 Teile eliminiert werden (siehe Abbildung 26-308c).
Auswirkungen des 3D-Drucks auf den gesamten Entwurfsprozess eines Hydraulikventilblocks und seine Herstellung
Der integrierte Hydraulikblock besteht aus einem Ventilkörper mit komplexen Fließwegen. Im Inneren des Blocks befinden sich Ölbohrungen, Positionierungsbohrungen, Bohrungen für Verbindungsschrauben und Bohrungen für die Blockmontage. Darüber hinaus verfügt der Block über Montagebohrungen für Patronenventile und seitliche Ölkanäle für die Patronenventile. Um den korrekten Anschluss der Bohrung ohne Interferenzen zu gewährleisten, werden manchmal auch eine Reihe von Prozessbohrungen angebracht.
Die Konstruktion von Hydraulikventilblöcken sollte den Einbau-, Anschluss- und Verarbeitungsbedingungen entsprechen. Die äußere Oberfläche des Blocks sollte ausreichend Platz für die Ventilkomponenten bieten und sicherstellen, dass sie sich nicht gegenseitig behindern. Alle Bohrungen müssen die Anforderungen an die Anschlussfähigkeit und Nichtanschlussfähigkeit erfüllen. Es ist wichtig, die Sicherheit der Wandstärke zu gewährleisten. Der Durchmesser und die Tiefe jeder Bohrung sollten innerhalb des bearbeitbaren Bereichs liegen. Die Richtlinien für die Konstruktion von Hydraulikventilblöcken bestehen darin, diese drei Anforderungen unter den Bedingungen eines einfachen Ölkreislaufs, geringer Größe und geringen Gewichts zu erfüllen.
Die herkömmliche Bearbeitung von Hydraulikventilblöcken erfordert Vorbehandlung, Bearbeitung, Entgraten, Reinigung und andere Verfahren (siehe Abbildung 26-309a). Wir führen die Vorbehandlung hauptsächlich durch, um das Material des Ventilblocks zu inspizieren oder zerstörungsfrei zu prüfen. Dieser Schritt stellt sicher, dass die innere Struktur des Materials dicht ist. Außerdem wird überprüft, ob das Material frei von Trachom und Einschlüssen ist. Bei der maschinellen Bearbeitung wird der Ventilblock zunächst durch Fräsen, Hobeln und andere Bearbeitungen des Rohlings grob geformt.
Anschließend verwenden wir eine Zange zum Anreißen und kontrollieren die Rauheit der Oberfläche des Ventilblocks, um Probleme wie Leckagen zu vermeiden. Nach der Bearbeitung entgraten wir den Ventilblock, um seine Glattheit zu gewährleisten. In der Reinigungsphase werden die Sacklöcher und andere Teile des Ventilblocks mit einer Rostschutzflüssigkeit und einem bestimmten Druck gereinigt, um Rückstände von Schmutz und Ablagerungen zu vermeiden.Bei der herkömmlichen Bearbeitung von Hydraulikventilblöcken stoßen wir auf Probleme wie schwerfälliges Einspannen. Auch die Kontrolle der Form- und Lagetoleranz ist schwierig.
Wir führen Bohrungen, Aufweitungen, Aufbohrungen, Reibungen und andere Prozesse an den Löchern durch, was den Prozess komplex und heikel macht. Der hydraulisch integrierte Block hat eine große Größe mit gekreuzten und vermischten Öffnungen, was die Verarbeitung erschwert. Die herkömmliche Verarbeitung führt zu einem kreuzförmigen Strömungskanal im fertigen Hydraulikblock. Diese Konstruktion erhöht die lokale Dämpfung und führt unweigerlich zu höheren hydraulischen Verlusten.
Durch die 3D-Drucktechnologie wird ein höherer Grad an Gestaltungsfreiheit erreicht. Das Design von 3D-gedruckten Ventilblöcken ermöglicht innovative Techniken für das Blockdesign. Wir können die internen Strömungswege optimieren, ohne die konstruktiven Beschränkungen von Querbohrungen berücksichtigen zu müssen. Da beim 3D-Druck Metallpulver geschichtet wird (siehe Abbildung 26-309b), können wir das Design der internen Strömungswege voroptimieren und die Kreuzecken als abgerundete Bögen gestalten. Dieser Ansatz reduziert die Dämpfung der Fließwege und minimiert die lokalen Verluste in der Hydraulik.
Außerdem ist das Volumen des gesamten Ventilblocks kleiner als bei herkömmlichen Konstruktionen, und wir können mögliche Leckagen an den Klebeflächen des Ventilblocks vermeiden. Die 3D-Druckverarbeitung und -herstellung vermeidet auch Probleme wie schwer kontrollierbare Form- und Positionstoleranzen. Die Anforderungen an die Form- und Positionskontrolle sind grundsätzlich erfüllt. Darüber hinaus entfallen beim 3D-Druck die mit der herkömmlichen Bearbeitung verbundenen Einspannprobleme. Außerdem wird die unnötige Masse des Metalls, abgesehen von den Ventilblöcken, reduziert, wodurch ein leichter Ventilblock entsteht.
Auswirkungen des 3D-Drucks auf die Verbesserung des Designs von Fließwegen in Hydraulikventilblöcken
Beim konventionellen Blendendesign ist es unvermeidlich, ein T- oder kreuzförmiges Blendensystem vorzusehen, um einen Durchfluss zu erreichen (siehe Abb. 26-310a). Im Gegensatz dazu ist es beim 3D-Druck durchaus möglich, nach dem Prinzip der Minimierung der hydraulischen Dämpfung des Strömungskanals zu konstruieren (siehe Abbildung 26-310b). Abbildung 26-311 zeigt das Ergebnis des Vergleichs des Druckverlusts verschiedener Fließkanäle bei gleichem Durchfluss. Dieses Ergebnis zeigt, dass eine Änderung der Form des Strömungskanals im Ventilblock den Druckverlust des Ventilblocks verringern kann.
Druckverfahren für einen universellen Ventilblock für ein hydraulisches Patronenventil
(1) Auswahl der geeigneten 3D-Druckausrüstung und -methode Je nach den Anforderungen an das Material des Hydraulikventilblocks muss die entsprechende 3D-Druckausrüstung ausgewählt werden. Die 3D-Druck-Technologien für hydraulische Komponenten verwendet werden, sind wie folgt:
1) Die Metallpulverspritzgusstechnik (MIM) ist ein Präzisionsmetallbearbeitungsverfahren, das ein Bindemittel mit besserer Leistung erfordert.
2) Metalldraht (oder Pellets), der in der Fused Deposition Modeling (FDM)-Technologie verwendet wird, folgt demselben Verfahren wie das allgemeine FDM aus Kunststoff. Beide verwenden Schmelzextrusion und schichtweises Gießen. Der Unterschied besteht darin, dass die meisten Verbrauchsmaterialien beim FDM aus Metall aus einer Mischung aus Metallpulver und organischem Bindemittel bestehen. 17-4PH und 316L-Edelstahl werden für die Binderinjektionstechnologie und die Fused-Deposition-Molding-Technologie der wichtigsten Materialien verwendet.
3) Die Binderspritzgusstechnologie (BI) ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Bindemittel aufgesprüht wird, um das Pulver zu formen. Bei dieser Technologie, die vielen Lasersinterverfahren ähnelt, die ein Pulverbett verwenden, wird ein Tintenstrahldruckkopf eingesetzt, um das Bindemittel auf das Pulver zu sprühen. Die Pulverschichten verbinden sich miteinander, um die Formgebung zu erreichen. Die frühen Forschungsarbeiten zu dieser Technologie konzentrierten sich auf die Herstellung von Sandguss.
4) Die Laser-Powder-Bed-Fusion-Technologie (LB-PBF), auch bekannt als selektives Laserschmelzen, ist ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren. Es nutzt hochenergetische Laserstrahlen, um das Pulver für die metallurgische Bindung Punkt für Punkt abzutasten, was den Druck von Hochleistungsbauteilen ermöglicht. Wir können Materialien wie Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Nickelbasislegierungen, Eisenlegierungen und Edelmetalllegierungen verwenden. Darüber hinaus entwickeln wir derzeit weitere Materialien, darunter Magnesiumlegierungen. Theoretisch können wir jedes schweißbare Material mit der LB-PBF-Technologie verarbeiten, einschließlich Polymilchsäure (PLA), einem thermoplastischen Kunststoff aus erneuerbaren Ressourcen.
Abbildung 26-312 veranschaulicht die Möglichkeiten zur Bearbeitung von Teilen mit 3D-Druck. Wir sind der Meinung, dass sich der 3D-Druck hervorragend für die Herstellung von Hydraulikventilblöcken und Hydraulikventilschiebern eignet. Die wichtigsten Anwendungen der 3D-Drucktechnologie sind PBF selektives Schmelzen Metall 3D-Druck-Technologie, BJ Binder Jet Metall 3D-Druck-Technologie, zusätzlich zu den Weg durch die Binder Jet 3D-Druck Sandformen und Gießen Kombination.
Es gibt auch die Wahl der Laserschmelzen (SLM)-Technologie zur Herstellung von Servoventilen, der Durchmesser von 30~60um sphärische Metallpulver, mit hochpräzisen Laserschmelzen. Für jedes Verfahren wird nur eine Schmelzdicke von wenigen Mikrometern festgelegt. Dann bauen Sie Schicht für Schicht auf, um die gewünschte Kammer zu erhalten.
(2)Hydraulischer Ventilblock für Materialprobleme beim 3D-Druck Die herkömmlichen Werkstoffe für Patronenventilblöcke lassen sich grob in folgende Kategorien einteilen: Gusseisen, Schmiedestahl, Profile, Edelstahl und Aluminiumlegierungen. Gussstücke sind unter Umständen nicht sehr passgenau, und dünne Wände können leicht undicht werden. Im Allgemeinen wählen wir keine Gussteile aus. Stattdessen verwenden wir oft Q235A-Blech und 35er Schmiedestahl. Wenn die Anforderungen nicht sehr hoch sind, können wir auch 45er oder 50er Gesenkstahlplatten oder hochwertigen Kohlenstoffbaustahl zum Schneiden und Herstellen verwenden. Die allgemeine Größe sollte nicht zu groß sein, und die Druckanwendung kann 31,5 MPa überschreiten. Wir verwenden in der Regel Aluminiumlegierungen wie 6061-T6, 7075-T6 und 2A12.
Wir verwenden diese Aluminiumlegierungen im Allgemeinen bei mittleren und niedrigen Drücken unter 25 MPa, da ihre strukturelle Festigkeit begrenzt ist. Je nach den Anforderungen der Einsatzszenarien verwenden wir auch Edelstahl zur Herstellung des Ventilblockgehäuses. Zum Beispiel, Wasserhydraulik oder hydraulische Medien auf Wasserbasis auf die Verwendung solcher Materialien als Ventilkörper Materialien.
Aus Sicht des 3D-Drucks erfordern Ventilblöcke in der Hydraulik Schmiedeeigenschaften. Der 3D-Druck kann Teile aus rostfreiem Stahl herstellen, von AISI 304 bis 316L. Auch Aluminium, Titan und Nickelbasislegierungen können verarbeitet werden. Außerdem können mit 3D-Druckern einige neue Materialien in kleinen Mengen hergestellt werden. Materialien für Hydraulikprodukte müssen stark und korrosionsbeständig genug sein, um den hohen Druck von Hydrauliksystemen sicher zu bewältigen. Zu den verfügbaren Materialien gehören Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Aluminium. Zu diesen Werkstoffen gehören rostfreie Stähle wie AISI304, AISI316L und 17-4PH. Sie umfassen auch Aluminiumlegierungen wie AISi10Mg. Darüber hinaus verwenden wir Titanlegierungen wie Ti6AI4V, hochwarmfeste Nickelbasislegierungen wie IN625 oder IN718 und martensitisch alternde Stähle. Wir verwenden Titanlegierungen für den Druck aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer stabilen mechanischen Eigenschaften und ihrer guten Korrosionsbeständigkeit.
(3) Konvertierung und Erkennung von Daten des integrierten Blockmodells eines Hydraulikventils Basierend auf den Eigenschaften des 3D-Drucks ist es notwendig, computergestützte Konstruktionssoftware zu verwenden, um die Struktur des integrierten Hydraulikventilblocks des 3D-Modellkonstruktionsdiagramms zu erreichen. Der Prozess der Erstellung des 3D-Druckmodells für den integrierten Hydraulikventilblock ist in Abbildung 26-313 dargestellt. Abbildung 26-313a zeigt die gesamte dreidimensionale Karte. Abbildung 26-313b zeigt die räumliche Struktur der Karte.
Um mit dem nächsten Arbeitsschritt am Strukturmodell des integrierten Hydraulikventilblocks fortzufahren, müssen Sie die dreidimensionalen SolidWorks Grafikdateien entwerfen. Konvertieren Sie diese Dateien in das STL-Format. Wir speichern das 3D-Modell im STL-Format, das ein dreieckiges Netz verwendet, um die verschiedenen Flächen der Struktur des Hydraulikventilblocks darzustellen. Abbildung 26-313c zeigt das 3D-Modell des Hydraulikventilblocks im STL-Format. Dies ist der erste Schritt beim 3D-Druck. Nachdem Sie das Modell konvertiert haben, importieren Sie die Modelldatei in die entsprechende Software zur Integritätsprüfung. Wenn die Prüfung keine Probleme ergibt, können Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren. Der 3D-Druck des physischen Objekts ist in Abbildung 26-313d dargestellt.
(4) Einleiten des Modellschneidens und Einstellen der Fräsrichtung Vor dem Schneiden, sollten wir testen und reparieren die Modell-Datei in die Technologie gibt es keine geschlossenen Ring und Mehrdeutigkeit Phänomen. Setzen Sie die gespeicherte stl-Datei in Netfabb Software für die Erkennung, die Erkennung Ergebnisse sind in Abb. 26-314 gezeigt.
Nachdem wir die Modelldatei getestet und keine Probleme festgestellt haben, können wir die Modellscheibe in die 3D-Drucksoftware importieren, um sie für den Druck vorzubereiten. Nach dem Importieren in die Software werden auf der rechten Seite des Computerbildschirms die Optionen für die Parametereinstellung angezeigt. Sie können dort die Druckqualität, die Geschwindigkeit, die Temperatur des heißen Bettes und andere Parameter einstellen. Die linke Seite zeigt die 3D-Ansicht des Hydraulikventilblocks, in die Sie das Modell zum Drucken ziehen können. Auf der linken Seite wird eine 3D-Ansicht des Hydraulikventilblocks angezeigt, in der Sie das Modell ziehen können, um grundlegende Operationen wie Verschieben, Skalieren und Drehen durchzuführen.
Darüber hinaus ist die Einstellung der Umformrichtung sehr wichtig. Sie beeinflusst, wie gut wir Druckmaterial einsparen können. Sie wirkt sich auch darauf aus, wie sehr wir die Druckzeit verkürzen können. Für die Produkteigenschaften des integrierten Hydraulikventilblocks ist es nicht erforderlich, die gesamte Struktur zu stützen. Allerdings müssen Sie die überhängende Fläche der Öffnung entsprechend abstützen. Dieser Schritt gewährleistet einen ausgewogenen Druck während des gesamten Prozesses. Nach dem Druck können Sie das Stützmaterial vollständig entfernen. Nehmen Sie zunächst die entsprechenden Einstellungen vor. Das System speichert dann die Datei und wandelt sie in den entsprechenden Code um. Anschließend legt das System die Datei auf der SD-Karte des 3D-Druckers ab. Mit diesem Vorgang ist das Slicing abgeschlossen und der Drucker kann mit dem Drucken beginnen.
(5) Druck und Formgebung des Blockmodells mit integriertem Hydraulikventil Stellen Sie den Durchmesser des Druckmaterials auf 1,75 mm und die Flussrate auf 100% ein. Stellen Sie die Druckschichtdicke zwischen 0,1 mm und 0,3 mm ein. Bei einer Schichtdicke von 0,1 mm erreicht das gedruckte Objekt eine höhere Genauigkeit und Oberflächenqualität. Allerdings ist die Druckzeit sehr lang, etwa 9 Stunden und 59 Minuten. Die Verbrauchsmaterialien belaufen sich auf 24,91 m, und das fertige Produkt wiegt 748 g. Legen Sie die vorbereitete SD-Karte in den 3D-Drucker ein. Führen Sie vor dem Druck eine Fehlersuche durch und heizen Sie das Heizbett und den Druckkopf vor. Das System fügt automatisch die eingestellte Unterstützung hinzu. Starten Sie schließlich den Druck des integrierten Hydraulikventilblocks entsprechend der ursprünglichen Modellkonfiguration (siehe Abbildung 26-313d).
Beachten Sie, dass Sie beim Drucken des Hydraulikventilblocks die Anforderungen an die Einbaulage des Ventilblocks am Ein- und Auslass einhalten müssen. Sie müssen auch das Design der Bearbeitungszugabe sicherstellen. Die Gestaltung der Krümmung des internen Fließwegs hängt von der Wahl des 3D-Druckmaterials und des Druckverfahrens ab. Das EBM-Verfahren (Electron Beam Melting), bei dem die Titanlegierung Ti-6Al-4V zum Einsatz kommt, bietet den Konstrukteuren beispielsweise eine größere Freiheit bei der Größe des kreisförmigen Kanals. Diese Freiheit übertrifft das, was sie mit einem Laserpulverbett erreichen können. Außerdem können die Konstrukteure das Teil ohne Stützstruktur herstellen.
Beim 3D-Druck mit Pulver müssen wir auch die Entfernung von eingeschlossenem Metallpulver berücksichtigen, das im Kanal verbleibt. Später kann ein CT-Scan erforderlich sein, um zu überprüfen, ob wir das gesamte Pulver aus dem Kanal entfernt haben. Wenn Pulverrückstände vorhanden sind, werden sie durch chemisches Ätzen entfernt (siehe Abbildung 26-315). Das chemische Ätzen entfernt den größten Teil des eingeschlossenen Pulvers und kann auch die Oberflächenrauhigkeit erheblich verbessern. Bei Pulvern, die durch das chemische Ätzen nicht entfernt werden können, können die Konstrukteure zusätzliche Öffnungen zur Pulverentfernung hinzufügen, um die Pulverentfernung zu erleichtern. Darüber hinaus können Sie die Bearbeitung der Öffnungen zu einem späteren Zeitpunkt erleichtern, indem Sie einige Passagen während des Entwurfsprozesses verschieben. Durch diese Anpassung kann die Vorrichtung auf der Unterseite des Teils verbleiben. Auf diese Weise können Sie alle Anschlüsse des Hydraulikventilblocks in einer einzigen Aufspannung mit einer 5-Achsen-Maschine bearbeiten.
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