La impresión 3D tiene un impacto perturbador en el procesamiento de bloques de válvulas hidráulicas
La impresión 3D en hidráulica puede incluir piezas de componentes hidráulicos (véase la Figura 26-307), bloques de válvulas hidráulicas (véase la Figura 26-308) y patrones de arena para fundición hidráulica. Uno de los focos de atención es la producción de bloques de válvulas hidráulicas mediante impresión 3D. La impresión 3D de bloques de válvulas de cartuchos hidráulicos es el ejemplo más representativo y de mayor éxito de la impresión 3D en aplicaciones industriales. Debido al uso de la impresión 3D, para el bloque de válvulas de cartucho los resultados de procesamiento son muy significativos.
Estos resultados demuestran que el diseño de una vía de flujo interna muy compleja puede reducir significativamente el peso y mejorar la relación potencia-peso de los componentes hidráulicos. Este diseño simplifica y acelera el proceso, haciéndolo eficiente y rentable. Optimiza la forma del recorrido del flujo hidráulico, reduciendo tanto la resistencia por fricción como la resistencia local, con lo que disminuye la pérdida de potencia causada por el recorrido del flujo hidráulico. También conecta directamente el diseño CAD y el procesamiento CAE del bloque de válvulas, logrando un método de procesamiento modernizado.El mejor medio. En resumen, para que la tecnología de procesamiento del bloque de válvulas aporte cambios disruptivos.
A continuación se enumeran brevemente las ventajas de la impresión 3D para la producción empresarial.
1) libertad de diseño, diseño personalizado, simplificado, ligero y sin montaje.
2) sin molde, puede ser rápidamente iterativa y flexible fabricación de prototipos.
3)Plazos de entrega más cortos, con plazos de fabricación de semanas a días, incluyendo contingencias de mantenimiento favorables.
4)Eficiencia energética.
5)Optimización de la trayectoria del flujo interno del cuerpo de la válvula, reducción de la pérdida de presión en el cuerpo de la válvula, reducción de la pérdida de energía hidráulica.
6)Reducción del taponamiento del proceso y también de los posibles puntos de fuga.
7)Libertad de diseño con geometrías de piezas internas y externas más aprovechables.
8)Optimización del diseño y reducción de la masa.
9)Mayor integración funcional y menor tamaño.
10)Mejor realización del control de las características mecánicas.
En la actualidad, la investigación y el desarrollo nacionales y extranjeros en la fabricación aditiva (AM) es muy activo, como Bosch Rexroth está desarrollando sistema hidráulico de impresión 3D, especialmente la válvula servo en el mismo. Entre los socios del proyecto se encuentran la famosa empresa familiar alemana de máquinas-herramienta por vía rápida (TRUMPF) y los expertos en fabricación de materiales en polvo Heraeus (Heraeus). Las empresas hidráulicas chinas también se han aplicado en este campo, como Sykes Hydraulic Technology Co.
Sin embargo, siguen existiendo muchos retos en el desarrollo actual. Además de la eficiencia de la propia tecnología de impresión 3D y el reto de la consistencia de la calidad, la certificación plantea otra dificultad. Las empresas chinas aún carecen de un conjunto completo de ideas sobre cómo hacer frente a la complejidad de aplicar la tecnología de impresión 3D para crear productos hidráulicos en condiciones complejas y duras. El sector necesita crear cuanto antes un sistema integral de servicios públicos. Esto ayudará a convertir esta nueva tecnología en una herramienta para avanzar en la productividad. La industria necesita construir un sistema de servicio público para hacer de esta nueva tecnología una herramienta para el desarrollo de la productividad.
En la actualidad, la aplicación de la fabricación aditiva de bloques de válvulas hidráulicas se encuentra todavía en la fase de verificación del diseño del desarrollo de nuevos productos. También se utiliza para la producción de lotes pequeños de una sola pieza y la fabricación de piezas especiales complejas. Además, la fabricación aditiva se emplea en la producción rápida de moldes. Desde la perspectiva del desarrollo de la fabricación por impresión 3D, la tecnología desempeñará un papel importante en el futuro. Se convertirá en un medio de procesamiento hidráulico integrado bloques de válvulas en la producción por lotes. En comparación con las piezas hidráulicas fabricadas tradicionalmente, la impresión metálica en 3D ha aportado mejoras significativas a la hidráulica aeroespacial. La primera adopción de esta tecnología permitió reducir el peso de la pieza hidráulica de control de vuelo principal. Además, permitió eliminar 10 piezas (véase la figura 26-308c).
Impacto de la impresión 3D en el proceso general de diseño de un bloque de válvulas hidráulicas y su fabricación
El bloque hidráulico integrado consta de un cuerpo de válvula con complejas vías de flujo. Internamente, incluye orificios para aceite, orificios de posicionamiento, orificios para tornillos de conexión y orificios de montaje del bloque. Además, el bloque cuenta con orificios de montaje para válvulas de cartucho enchufables y pasos de aceite laterales para las válvulas de cartucho. Al mismo tiempo, para garantizar la correcta conexión del orificio sin interferencias, a veces también se establecen varios orificios de proceso.
El diseño del bloque de válvulas hidráulicas debe cumplir las limitaciones de instalación, conectividad y procesamiento. La superficie exterior del bloque debe proporcionar suficiente espacio de instalación para los componentes de la válvula, garantizando que no haya interferencias entre ellos. Todos los orificios deben cumplir los requisitos de conectividad y no conectividad. Es importante garantizar la seguridad del grosor de la pared. El diámetro y la profundidad de cada orificio deben estar dentro del rango mecanizable. Directrices de diseño de bloques de válvulas hidráulicas es cumplir con estas tres limitaciones en las condiciones del circuito de aceite es simple, de pequeño tamaño, peso ligero.
El procesamiento convencional de bloques de válvulas hidráulicas requiere pretratamiento, mecanizado, desbarbado, limpieza y otros procesos (véase la Figura 26-309a). Realizamos el tratamiento previo principalmente para inspeccionar o realizar pruebas no destructivas en el material del bloque de válvulas. Este paso garantiza que la estructura interna del material sea densa. También verifica que el material esté libre de tracoma y atrapamiento. Durante el mecanizado, damos forma aproximada al bloque de válvulas fresando, cepillando y realizando otros procesos en la pieza en bruto.
A continuación, utilizamos unos alicates para trazar y controlar la rugosidad de la superficie del bloque de válvulas para evitar problemas como las fugas. Tras el mecanizado, desbarbamos el bloque de válvulas para garantizar su suavidad. En la fase de limpieza, utilizamos un líquido limpiador antioxidante y aplicamos cierta presión para limpiar los orificios ciegos del bloque de válvulas y otras partes, evitando cualquier resto de suciedad y residuos.En los procesos tradicionales de mecanizado de bloques de válvulas hidráulicas, nos encontramos con problemas como la engorrosa sujeción. También nos enfrentamos a dificultades para controlar la tolerancia de forma y posición.
Además, existen elevados requisitos de rugosidad superficial.Realizamos perforaciones, expansiones, mandrinados, escariados y otros procesos en los orificios, lo que hace que el proceso sea complejo y delicado. El bloque hidráulico integrado tiene un gran tamaño con orificios cruzados y mezclados, lo que dificulta el procesamiento. El procesamiento tradicional da como resultado un canal de flujo en forma de cruz en el bloque integrado hidráulico terminado. Este diseño aumenta la amortiguación local y eleva inevitablemente las pérdidas hidráulicas.
La tecnología de impresión en 3D ofrece un mayor grado de libertad de diseño. El diseño de bloques de válvulas impresos en 3D permite innovar en las técnicas de diseño de bloques. Podemos optimizar las vías de flujo internas sin tener que considerar las limitaciones de diseño de los orificios perforados en cruz. Dado que la impresión en 3D implica la estratificación de polvos metálicos (véase la figura 26-309b), podemos optimizar previamente el diseño de las trayectorias de flujo internas y diseñar las esquinas transversales como curvas redondeadas. Este enfoque reduce la amortiguación de las vías de flujo y minimiza las pérdidas localizadas en el sistema hidráulico.
También conseguimos que el volumen de todo el bloque de válvulas sea menor que en los diseños tradicionales, y podemos evitar posibles fugas en las superficies de unión del bloque de válvulas. El procesamiento y la fabricación mediante impresión 3D también evitan problemas como las tolerancias de forma y posición difíciles de controlar. Los requisitos de control de forma y posición están básicamente satisfechos. Además, la impresión 3D elimina los problemas de sujeción asociados al mecanizado tradicional. También reduce la masa innecesaria del metal, aparte de los colectores, consiguiendo un bloque de válvulas ligero.
Impacto de la impresión 3D en la mejora del diseño de las vías de flujo en bloques de válvulas hidráulicas
En el diseño convencional de orificios, es inevitable prever un cruce de sistemas de orificios en forma de T o de cruz para conseguir el caudal de paso (véase la figura 26-310a). Por el contrario, en la impresión 3D es totalmente posible diseñar siguiendo el principio de minimizar la amortiguación hidráulica del canal de flujo (véase la figura 26-310b). La figura 26-311 presenta el resultado de comparar la pérdida de presión de diferentes canales de flujo con el mismo caudal. Este resultado muestra que cambiar la forma del canal de flujo en el bloque de válvulas puede reducir la pérdida de presión del bloque de válvulas.
Proceso de impresión del bloque de válvula universal para válvula de cartucho hidráulica
(1) Seleccionar el equipo y el método de impresión 3D adecuados De acuerdo con los requisitos del material del bloque de válvulas hidráulicas para seleccionar el equipo de impresión 3D adecuado. Las tecnologías de impresión 3D utilizadas para componentes hidráulicos son las siguientes:
1) La tecnología de moldeo por inyección de polvo metálico (MIM) es un proceso de trabajo de precisión del metal, que requiere un aglutinante con mejores prestaciones.
2) El alambre metálico (o pellets) utilizado en la tecnología de modelado por deposición fundida (FDM) sigue el mismo proceso que el FDM de plástico general. Ambos utilizan la extrusión de masa fundida y el moldeo por capas. La diferencia es que la mayoría de los consumibles en FDM metálico consisten en una mezcla de polvo metálico y aglutinante orgánico. Para la tecnología de inyección de aglutinante y la tecnología de moldeo por deposición fundida de los materiales principales se utiliza acero inoxidable 17-4PH y 316L.
3) La tecnología de moldeo por inyección de aglutinante (BI) es un método de fabricación aditiva que consiste en rociar un aglutinante para moldear el polvo. Esta tecnología, similar a muchas técnicas de sinterización láser que utilizan un lecho de polvo, emplea un cabezal de impresión de inyección de tinta para rociar el aglutinante sobre el polvo. Las capas de polvo se unen para lograr el moldeo. Las primeras investigaciones sobre esta tecnología se centraron en la formación de moldes de arena.
4) La tecnología de fusión de lecho de polvo por láser (LB-PBF), también conocida como fusión selectiva por láser, es un proceso de fabricación aditiva basado en el lecho de polvo. Utiliza rayos láser de alta energía para lograr el escaneado punto por punto del polvo para la unión metalúrgica, lo que permite la impresión de piezas de alto rendimiento. Podemos utilizar materiales como aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio, aleaciones a base de níquel, aleaciones ferrosas y aleaciones de metales preciosos. Además, actualmente estamos desarrollando otros materiales, como aleaciones de magnesio. En teoría, podemos procesar cualquier material soldable con la tecnología LB-PBF, incluidos los materiales de ácido poliláctico (PLA), que son termoplásticos fabricados a partir de recursos renovables.
La Figura 26-312 ilustra las opciones de procesamiento de piezas con impresión 3D. La impresión 3D es especialmente adecuada para la fabricación de bloques de válvulas hidráulicas y carretes de válvulas hidráulicas. Las principales aplicaciones de la tecnología de impresión 3D son la tecnología de impresión 3D de metal de fusión selectiva PBF, la tecnología de impresión 3D de metal por chorro aglutinante BJ, además del camino a través de los moldes de arena de impresión 3D por chorro aglutinante y la combinación de fundición.
También existe la opción de la tecnología de fusión por láser (SLM) para fabricar servoválvulas, el diámetro de 30~60um polvo metálico esférico, utilizando la fusión por láser de alta precisión. Para cada proceso, sólo unas pocas micras de espesor de fusión se establece. A continuación, se construye capa por capa para obtener la cámara deseada.
(2)Bloque de válvulas hidráulicas utilizado en cuestiones de material de impresión 3D Los materiales tradicionales de los bloques de válvulas de cartucho se clasifican aproximadamente en las siguientes categorías: hierro fundido, acero forjado, perfiles, acero inoxidable y aleación de aluminio. Las piezas de fundición pueden no ajustarse bien, y las paredes finas pueden presentar fugas con facilidad. Por lo general, no seleccionamos piezas de fundición. En su lugar, solemos utilizar chapa Q235A y acero forjado 35. Cuando los requisitos no son elevados, también podemos utilizar placas de acero 45 o 50 para matrices o acero estructural al carbono de alta calidad para el corte y la producción. El tamaño general no debe ser demasiado grande, y la aplicación de presión puede superar los 31,5 MPa. Solemos utilizar aleaciones de aluminio como 6061-T6, 7075-T6 y 2A12.
Generalmente utilizamos estas aleaciones de aluminio en situaciones de media y baja presión por debajo de 25 MPa porque su resistencia estructural tiene limitaciones. En función de los requisitos de los escenarios de uso, también utilizamos acero inoxidable para producir el cuerpo del bloque de válvulas. Por ejemplo, la hidráulica de agua o los medios hidráulicos a base de agua en el uso de tales materiales como materiales del cuerpo de la válvula.
Desde el punto de vista de la impresión 3D, los bloques de válvulas en hidráulica requieren propiedades de forja. La impresión 3D puede producir piezas de acero inoxidable, desde AISI 304 hasta 316L. También puede producir aluminio, titanio y aleaciones a base de níquel. Además, los equipos de impresión 3D pueden producir algunos materiales nuevos en lotes pequeños. Los materiales para productos hidráulicos deben ser lo suficientemente fuertes y resistentes a la corrosión como para soportar con seguridad las altas presiones de los sistemas hidráulicos. Entre los materiales disponibles se encuentran el acero al carbono, el acero inoxidable y el aluminio. Estos materiales incluyen acero inoxidable como AISI304, AISI316L y 17-4PH. También incluyen aleaciones de aluminio como AISi10Mg. Además, utilizamos aleaciones de titanio como Ti6AI4V, aleaciones de níquel de alta temperatura como IN625 o IN718, y aceros martensíticos de envejecimiento. Utilizamos aleaciones de titanio para la impresión por su ligereza, sus propiedades mecánicas estables y su buena resistencia a la corrosión.
(3) Conversión y detección de datos de modelos de estructura de bloques integrados de válvulas hidráulicas Basándose en las características de la impresión 3D, es necesario utilizar software de diseño asistido por ordenador para conseguir la estructura del bloque integrado de la válvula hidráulica del diagrama de diseño del modelo 3D. El proceso de generación del modelo de impresión 3D para el bloque integrado de la válvula hidráulica se muestra en la Figura 26-313. La Figura 26-313a muestra el mapa tridimensional general. La Figura 26-313b muestra la estructura espacial del mapa.
Para proceder con la siguiente operación en el modelo estructural del bloque integrado de válvulas hidráulicas, necesita diseñar los archivos gráficos tridimensionales de SolidWorks. Convierta estos archivos a formato STL. Guardamos el modelo 3D en formato STL, que utiliza una malla triangular para representar las distintas caras de la estructura del bloque de válvulas hidráulicas. La Figura 26-313c muestra el modelo 3D del bloque de válvulas hidráulicas en formato STL. Este es el primer paso en la impresión 3D. Después de convertir el modelo, importe el archivo del modelo en el software adecuado para realizar la prueba de integridad. Si la prueba no revela ningún problema, puede pasar al siguiente paso. La impresión 3D del objeto físico se muestra en la Figura 26-313d.
(4) Introducir el corte del modelo y fijar la dirección de moldeo Antes de cortar, debemos probar y reparar el archivo de modelo en la tecnología no hay anillo cerrado y el fenómeno de ambigüedad. Ponga el archivo stl guardado en el software Netfabb para la detección, los resultados de detección se muestran en la Fig. 26-314.
Después de probar el archivo del modelo y no encontrar ningún problema, podemos importar el corte del modelo en el software de impresión 3D para prepararlo para la impresión. Después de importar en el software, el lado derecho de la pantalla del ordenador mostrará las opciones de configuración de parámetros. Allí se puede ajustar la calidad de impresión, la velocidad, la temperatura de la cama caliente y otros parámetros. El lado izquierdo muestra la vista 3D del bloque de válvulas hidráulicas, donde puede arrastrar el modelo para imprimir. El lado izquierdo muestra la vista en 3D del bloque de válvulas hidráulicas, donde puede arrastrar el modelo para realizar operaciones básicas como moverlo, escalarlo y rotarlo.
Además, establecer la dirección de conformado es muy importante. Afecta al ahorro de material de impresión. También influye en cuánto podemos acortar el tiempo de impresión. Para las características del producto del bloque integrado de válvula hidráulica, no es necesario establecer un soporte para toda la estructura. Sin embargo, es necesario añadir un soporte adecuado para la superficie saliente de la abertura. Este paso garantiza una impresión equilibrada durante todo el proceso. Después de la impresión, puede retirar completamente el material de soporte. En primer lugar, configure los ajustes correspondientes. A continuación, el sistema guardará el archivo y lo convertirá en el código correspondiente. A continuación, el sistema depositará el archivo en la tarjeta SD de la impresora 3D. Este proceso completa el corte y prepara la impresora para empezar a imprimir.
(5) Impresión y conformado de modelos de bloques con válvula hidráulica integrada Ajuste el diámetro del material de impresión a 1,75 mm y el caudal a 100%. Ajuste el grosor de la capa de impresión entre 0,1 mm y 0,3 mm. Si utiliza un grosor de capa de 0,1 mm, la entidad impresa alcanzará una mayor precisión y calidad de superficie. Sin embargo, el tiempo de impresión será muy largo, aproximadamente 9 horas y 59 minutos. Los consumibles ascenderán a 24,91 metros, y el producto acabado pesará 748 gramos.Inserte la tarjeta SD preparada en la impresora 3D. Realice la depuración previa a la impresión y precaliente la cama caliente y el cabezal de impresión. El sistema añadirá automáticamente el soporte establecido. Finalmente, comience a imprimir el bloque integrado de la válvula hidráulica de acuerdo con la configuración del modelo original.El resultado se muestra en la Figura 26-313d.
Debe tener en cuenta que al imprimir el bloque de válvulas hidráulicas, debe mantener los requisitos de posición de instalación para la entrada y salida del bloque de válvulas. También debe garantizar el diseño de la tolerancia de mecanizado. El diseño de la curvatura de la trayectoria de flujo interna dependerá de su elección de materiales de impresión 3D y del proceso de impresión. Por ejemplo, el proceso de fusión por haz de electrones (EBM) con la aleación de titanio Ti-6Al-4V permite a los diseñadores una mayor libertad en el tamaño del canal circular. Esta libertad supera lo que pueden conseguir utilizando un lecho de polvo láser. Además, los diseñadores pueden fabricar la pieza sin estructura de soporte.
En la impresión 3D con polvo, también tenemos que considerar la eliminación del polvo metálico atrapado que queda en el canal. Más adelante, es posible que necesitemos una tomografía para verificar si hemos eliminado todo el polvo del canal. Si hay polvo atrapado, el método de eliminación es el grabado químico (ver Figura 26-315). El grabado químico elimina la mayor parte del polvo atrapado y también puede mejorar significativamente la rugosidad de la superficie. Sin embargo, para los polvos que el grabado químico todavía no puede eliminar, los diseñadores pueden añadir puertos de eliminación de polvo adicionales para facilitar la eliminación del polvo. Además, pueden facilitar el mecanizado de los puertos en una fase posterior desplazando algunos pasos durante el proceso de diseño. Este ajuste permite que la fijación permanezca en la parte inferior de la pieza. Como resultado, puede mecanizar todos los puertos del bloque de válvulas hidráulicas en una única configuración de fijación utilizando una máquina de 5 ejes.
Póngase en contacto con Zhuo Yi Control Technology, lo último en tecnología de producción
Puede ponerse en contacto con nosotros correo electrónico o WhatsApp.
