L'impression 3D a un impact perturbateur sur le traitement des blocs de soupapes hydrauliques
L'impression 3D dans le domaine de l'hydraulique peut inclure des pièces de composants hydrauliques (voir figure 26-307), des blocs de vannes hydrauliques (voir figure 26-308) et des modèles de sable pour le moulage hydraulique. La production de blocs de valves hydrauliques par impression 3D est l'une des priorités. L'impression 3D de blocs de valves hydrauliques est l'exemple le plus représentatif et le plus réussi de l'impression 3D dans les applications industrielles. En raison de l'utilisation de l'impression 3D, les résultats du traitement des blocs de valves à cartouche sont très significatifs.
Ces résultats montrent que la conception d'une voie d'écoulement interne très complexe permet de réduire considérablement le poids et d'améliorer le rapport puissance/poids des composants hydrauliques. Cette conception simplifie et accélère le traitement, ce qui le rend efficace et rentable. Elle optimise la forme de la voie d'écoulement hydraulique, réduisant à la fois la résistance par frottement et la résistance locale, ce qui diminue la perte de puissance causée par la voie d'écoulement hydraulique. Il relie également directement la conception CAO et le traitement IAO du bloc de soupapes, ce qui permet d'obtenir une méthode de traitement modernisée. En bref, la technologie de traitement des blocs de soupapes apportera des changements perturbateurs.
Les avantages de l'impression 3D pour la production des entreprises peuvent être brièvement énumérés comme suit.
1) liberté de conception, personnalisation, simplification, légèreté, absence de montage.
2) Pas de moule, possibilité de fabrication rapide de prototypes itératifs et flexibles.
3) Des délais plus courts, avec des temps de fabrication allant de quelques semaines à quelques jours, y compris des contingences de maintenance favorables.
4) Efficacité énergétique.
5) Optimisation de l'écoulement interne du corps de la vanne, réduction de la perte de pression dans le corps de la vanne, réduction de la perte d'énergie hydraulique.
6) Réduction de l'engorgement du processus et des points de fuite possibles.
7) Liberté de conception grâce à des géométries de pièces internes et externes plus faciles à exploiter.
8) Optimisation de la conception et réduction de la masse.
9) Meilleure intégration fonctionnelle et taille réduite.
10) Meilleure réalisation du contrôle des caractéristiques mécaniques.
À l'heure actuelle, la recherche et le développement nationaux et étrangers dans le domaine de la fabrication additive (AM) sont très actifs. Bosch Rexroth, par exemple, développe un système hydraulique par impression 3D, en particulier la servovalve qu'il contient. Les partenaires du projet comprennent la célèbre entreprise familiale allemande de machines-outils à travers Fast (TRUMPF) et les experts de la fabrication de matériaux en poudre Heraeus (Heraeus). Les entreprises hydrauliques chinoises se sont également lancées dans ce domaine, comme Sykes Hydraulic Technology Co.
Cependant, de nombreux défis subsistent dans le développement actuel. Outre l'efficacité de la technologie d'impression 3D elle-même et le défi de la cohérence de la qualité, la certification pose une autre difficulté. Les entreprises chinoises ne disposent pas encore d'un ensemble complet d'idées sur la manière de répondre à la complexité de l'application de la technologie d'impression 3D pour créer des produits hydrauliques dans des conditions complexes et difficiles. L'industrie doit mettre en place un système de service public complet dès que possible. Cela permettra de faire de cette nouvelle technologie un outil d'amélioration de la productivité. L'industrie doit mettre en place un système de service public pour faire de cette nouvelle technologie un outil de développement de la productivité.
Actuellement, l'application de la fabrication additive de blocs de vannes hydrauliques en est encore au stade de la vérification de la conception du développement de nouveaux produits. Elle est également utilisée pour la production de petites séries de pièces uniques et la fabrication de pièces complexes spéciales. En outre, la fabrication additive est utilisée pour la production rapide de moules. Du point de vue du développement de la fabrication par impression 3D, cette technologie jouera un rôle important à l'avenir. Elle deviendra un moyen de traitement des pièces hydrauliques intégrées. blocs de vannes en production discontinue. Par rapport aux pièces hydrauliques fabriquées traditionnellement, l'impression 3D de métal a apporté des améliorations significatives dans le domaine de l'hydraulique aérospatiale. La première adoption de cette technologie a permis de réduire le poids de la pièce hydraulique principale des commandes de vol. En outre, elle a permis d'éliminer 10 pièces (voir figure 26-308c).
Impact de l'impression 3D sur le processus global de conception d'un bloc de vannes hydrauliques et sur sa fabrication
Le bloc hydraulique intégré se compose d'un corps de vanne avec des voies d'écoulement complexes. Il comporte des trous d'huile, des trous de positionnement, des trous de vis de connexion et des trous de montage du bloc. En outre, le bloc comporte des trous de montage pour les valves à cartouche et des passages d'huile latéraux pour les valves à cartouche. En même temps, afin d'assurer la connexion correcte du trou sans interférence, un certain nombre de trous de traitement sont parfois également mis en place.
La conception du bloc de valves hydrauliques doit répondre aux contraintes d'installation, de connectivité et de traitement. La surface extérieure du bloc doit offrir un espace d'installation suffisant pour les composants de la valve, en veillant à ce qu'il n'y ait pas d'interférence entre eux. Tous les trous doivent répondre aux exigences de connectivité et de non-connectivité. Il est important de garantir la sécurité de l'épaisseur de la paroi. Le diamètre et la profondeur de chaque trou doivent se situer dans la plage d'usinage. Les lignes directrices de la conception du bloc de vannes hydrauliques consistent à respecter ces trois contraintes dans les conditions suivantes : le circuit d'huile est simple, la taille est petite et le poids est léger.
Le traitement conventionnel des blocs de soupapes hydrauliques nécessite un prétraitement, un usinage, un ébavurage, un nettoyage et d'autres processus (voir figure 26-309a). Nous effectuons le prétraitement principalement pour inspecter ou effectuer des essais non destructifs sur le matériau du bloc de soupapes. Cette étape permet de s'assurer que la structure interne du matériau est dense. Elle permet également de vérifier que le matériau est exempt de trachome et de piégeage. Pendant l'usinage, nous façonnons grossièrement le bloc de soupapes en commençant par fraiser, raboter et effectuer d'autres opérations sur l'ébauche.
Nous utilisons ensuite des pinces pour tracer et contrôler la rugosité de la surface du bloc de soupapes afin d'éviter les problèmes de fuite. Après l'usinage, nous ébavurons le bloc de soupapes pour garantir sa douceur. Lors de la phase de nettoyage, nous utilisons un liquide de nettoyage antirouille et appliquons une certaine pression pour nettoyer les trous borgnes du bloc de soupapes et d'autres pièces, afin d'éviter toute saleté ou débris résiduels.Dans les processus traditionnels d'usinage des blocs de soupapes hydrauliques, nous rencontrons des problèmes tels que la lourdeur du serrage. Nous avons également des difficultés à contrôler la tolérance de forme et de position.
Nous effectuons des opérations de perçage, d'expansion, de forage, d'alésage et d'autres processus sur les trous, ce qui rend le processus complexe et délicat. Le bloc hydraulique intégré est de grande taille, avec des orifices croisés et mélangés, ce qui rend le traitement plus difficile. Le traitement traditionnel produit un canal d'écoulement en forme de croix dans le bloc hydraulique intégré terminé. Cette conception augmente l'amortissement local et accroît inévitablement les pertes hydrauliques.
La technologie de l'impression 3D offre une plus grande liberté de conception. La conception des blocs de vannes imprimés en 3D permet d'innover dans les techniques de conception des blocs. Nous pouvons optimiser les voies d'écoulement internes sans avoir à prendre en compte les contraintes de conception des trous percés en croix. Étant donné que l'impression 3D implique la superposition de poudres métalliques (voir figure 26-309b), nous pouvons pré-optimiser la conception des voies d'écoulement internes et concevoir les angles transversaux comme des courbes arrondies. Cette approche réduit l'amortissement des voies d'écoulement et minimise les pertes localisées dans l'hydraulique.
Nous réduisons également le volume de l'ensemble du bloc de vannes par rapport aux conceptions traditionnelles et nous pouvons éviter les fuites potentielles au niveau des surfaces de collage du bloc de vannes. Le traitement et la fabrication par impression 3D permettent également d'éviter des problèmes tels que des tolérances de forme et de position difficiles à contrôler. Les exigences en matière de contrôle de la forme et de la position sont fondamentalement satisfaites. En outre, l'impression 3D élimine les problèmes de serrage associés à l'usinage traditionnel. Elle réduit également la masse inutile du métal, à l'exception des collecteurs, ce qui permet d'obtenir un bloc de soupapes léger.
Impact de l'impression 3D sur l'amélioration de la conception des voies d'écoulement dans les blocs de soupapes hydrauliques
Dans la conception conventionnelle des orifices, il est inévitable de prévoir une traversée du système d'orifice en forme de T ou de croix pour obtenir un débit (voir la figure 26-310a). En revanche, dans l'impression 3D, il est tout à fait possible de concevoir sur le principe de la minimisation de l'amortissement hydraulique du canal d'écoulement (voir figure 26-310b). La figure 26-311 présente le résultat de la comparaison de la perte de pression de différents canaux d'écoulement au même débit. Ce résultat montre que la modification de la forme du canal d'écoulement dans le bloc de vannes peut réduire la perte de pression du bloc de vannes.
Procédé d'impression d'un bloc de vannes universel pour une vanne à cartouche hydraulique
(1) Sélectionner l'équipement et la méthode d'impression 3D appropriés En fonction des exigences du matériau du bloc de vannes hydrauliques, il convient de sélectionner l'équipement d'impression 3D approprié. Les technologies d'impression 3D utilisées pour les composants hydrauliques sont les suivantes :
1) La technologie du moulage par injection de poudre métallique (MIM) est un procédé de travail du métal de précision, qui nécessite un liant plus performant.
2) Les fils (ou pastilles) métalliques utilisés dans la technologie de modélisation par dépôt en fusion (FDM) suivent le même processus que la modélisation par dépôt en fusion du plastique en général. Tous deux utilisent l'extrusion de la matière fondue et le moulage couche par couche. La différence réside dans le fait que la plupart des consommables utilisés dans le FDM métallique consistent en un mélange de poudre métallique et de liant organique. L'acier inoxydable 17-4PH et 316L est utilisé pour la technologie d'injection de liant et la technologie de moulage par dépôt de matière fondue des matériaux principaux.
3) La technologie du moulage par injection de liant (BI) est une méthode de fabrication additive qui consiste à pulvériser un liant pour mouler la poudre. Cette technologie, similaire à de nombreuses techniques de frittage laser qui utilisent un lit de poudre, utilise une tête d'impression à jet d'encre pour pulvériser le liant sur la poudre. Les couches de poudre s'assemblent pour réaliser le moulage. Les premières recherches sur cette technologie se sont concentrées sur la formation de moulages en sable.
4) La technologie de fusion laser sur lit de poudre (LB-PBF), également connue sous le nom de fusion sélective au laser, est un procédé de fabrication additive basé sur le lit de poudre. Elle utilise des faisceaux laser à haute énergie pour scanner point par point la poudre en vue d'une liaison métallurgique, ce qui permet d'imprimer des pièces de haute performance. Nous pouvons utiliser des matériaux tels que les alliages d'aluminium, les alliages de titane, les alliages à base de nickel, les alliages ferreux et les alliages de métaux précieux. En outre, nous développons actuellement d'autres matériaux, notamment des alliages de magnésium. En théorie, nous pouvons traiter n'importe quel matériau soudable avec la technologie LB-PBF, y compris les matériaux à base d'acide polylactique (PLA), qui sont des thermoplastiques fabriqués à partir de ressources renouvelables.
La figure 26-312 illustre les options de traitement des pièces par impression 3D. Nous constatons que l'impression 3D convient parfaitement à la fabrication de blocs de valves hydrauliques et de tiroirs de valves hydrauliques. Les principales applications de la technologie d'impression 3D sont la technologie d'impression 3D de métal par fusion sélective PBF, la technologie d'impression 3D de métal par jet de liant BJ, ainsi que la combinaison de moules de sable et de moulage par impression 3D par jet de liant.
Il y a aussi le choix de la technologie de fusion laser (SLM) pour fabriquer des servovalves, le diamètre de la poudre métallique sphérique de 30~60um, en utilisant la fusion laser de haute précision. Pour chaque processus, seule une épaisseur de fusion de quelques microns est établie. Ensuite, on construit couche par couche pour obtenir la chambre désirée.
(2)Bloc de vannes hydrauliques utilisé dans les problèmes de matériaux d'impression 3D Les matériaux traditionnels des blocs de vannes à cartouche se répartissent grosso modo entre les catégories suivantes : fonte, acier forgé, profilés, acier inoxydable et alliage d'aluminium. Les pièces en fonte peuvent ne pas s'ajuster étroitement et les parois minces peuvent facilement fuir. En général, nous ne choisissons pas de pièces moulées. Nous utilisons souvent des tôles Q235A et de l'acier forgé 35. Lorsque les exigences ne sont pas élevées, nous pouvons également utiliser des plaques d'acier matricé 45 ou 50 ou de l'acier de construction au carbone de haute qualité pour la découpe et la production. La taille générale ne doit pas être trop importante et la pression appliquée peut dépasser 31,5 MPa. Nous utilisons généralement des alliages d'aluminium tels que 6061-T6, 7075-T6 et 2A12.
Nous utilisons généralement ces alliages d'aluminium pour des pressions moyennes et basses, inférieures à 25 MPa, car leur résistance structurelle est limitée. En fonction des exigences des scénarios d'utilisation, nous utilisons également l'acier inoxydable pour produire le corps du bloc de vannes. Par exemple, l'hydraulique à eau ou les fluides hydrauliques à base d'eau nécessitent l'utilisation de ces matériaux comme corps de vanne.
Du point de vue de l'impression 3D, les blocs de vannes dans le domaine de l'hydraulique requièrent des propriétés de qualité forge. L'impression 3D peut produire des pièces en acier inoxydable, allant de AISI 304 à 316L. Elle peut également traiter l'aluminium, le titane et les alliages à base de nickel. En outre, l'équipement d'impression 3D peut produire certains nouveaux matériaux en petites séries. Les matériaux utilisés pour les produits hydrauliques doivent être suffisamment solides et résistants à la corrosion pour supporter en toute sécurité les pressions élevées des systèmes hydrauliques. Les matériaux disponibles sont l'acier au carbone, l'acier inoxydable et l'aluminium. Ces matériaux comprennent l'acier inoxydable tel que AISI304, AISI316L et 17-4PH. Ils comprennent également des alliages d'aluminium tels que AISi10Mg. En outre, nous utilisons des alliages de titane tels que le Ti6AI4V, des alliages à base de nickel à haute température tels que l'IN625 ou l'IN718, et des aciers martensitiques de vieillissement. Nous utilisons les alliages de titane pour l'impression en raison de leur légèreté, de leurs propriétés mécaniques stables et de leur bonne résistance à la corrosion.
(3) Conversion et détection des données du modèle de structure de bloc intégré de la valve hydraulique Compte tenu des caractéristiques de l'impression 3D, il est nécessaire d'utiliser un logiciel de conception assistée par ordinateur pour réaliser la structure du bloc intégré de la vanne hydraulique du diagramme de conception du modèle 3D. Le processus de génération du modèle d'impression 3D pour le bloc intégré de la vanne hydraulique est illustré à la Figure 26-313. La Figure 26-313a présente la carte tridimensionnelle globale. La Figure 26-313b montre la structure spatiale de la carte.
Pour procéder à l'opération suivante sur le modèle structurel du bloc intégré de la vanne hydraulique, vous devez concevoir les fichiers graphiques tridimensionnels SolidWorks. Convertir ces fichiers au format STL. Nous enregistrons le modèle 3D au format STL, qui utilise un maillage triangulaire pour représenter les différentes faces de la structure du bloc de vannes hydrauliques. La figure 26-313c montre le modèle 3D du bloc de vannes hydrauliques au format STL. Il s'agit de la première étape de l'impression 3D. Après avoir converti le modèle, importez le fichier du modèle dans le logiciel approprié pour le test d'intégrité. Si le test ne révèle aucun problème, vous pouvez passer à l'étape suivante. L'impression 3D de l'objet physique est illustrée à la figure 26-313d.
(4) Introduire le découpage du modèle et définir la direction du moulage Avant de trancher, nous devons tester et réparer le fichier de modèle dans la technologie, sans anneau fermé ni phénomène d'ambiguïté. Le fichier stl sauvegardé est inséré dans le logiciel Netfabb pour la détection. Les résultats de la détection sont illustrés à la figure 26-314.
Après avoir testé le fichier de modèle et n'avoir trouvé aucun problème, nous pouvons importer la tranche de modèle dans le logiciel d'impression 3D pour préparer l'impression. Après l'importation dans le logiciel, le côté droit de l'écran de l'ordinateur affiche les options de réglage des paramètres. Vous pouvez y régler la qualité d'impression, la vitesse, la température du lit chaud et d'autres paramètres. La partie gauche montre la vue en 3D du bloc de vannes hydrauliques, où vous pouvez faire glisser le modèle pour l'imprimer. La partie gauche affiche une vue en 3D du bloc de vannes hydrauliques, vous permettant de faire glisser le modèle pour effectuer des opérations de base telles que le déplacement, la mise à l'échelle et la rotation.
En outre, le choix de la direction de formage est très important. Il permet d'économiser le matériel d'impression. Il a également une incidence sur la réduction du temps d'impression. En ce qui concerne les caractéristiques du bloc intégré de la valve hydraulique, il n'est pas nécessaire de fixer un support pour l'ensemble de la structure. Cependant, vous devez ajouter un support approprié pour la surface en surplomb de l'ouverture. Cette étape garantit une impression équilibrée tout au long du processus. Après l'impression, vous pouvez retirer complètement le matériau de support. Configurez d'abord les paramètres correspondants. Le système enregistre ensuite le fichier et le convertit dans le code correspondant. Ensuite, le système dépose le fichier sur la carte SD de l'imprimante 3D. Ce processus achève le découpage et prépare l'imprimante à lancer l'impression.
(5) Impression et façonnage d'un modèle de bloc intégré à une valve hydraulique Régler le diamètre du matériau d'impression à 1,75 mm et le débit à 100%. Réglez l'épaisseur de la couche d'impression entre 0,1 mm et 0,3 mm. En utilisant une épaisseur de couche de 0,1 mm, l'entité imprimée atteindra une plus grande précision et une meilleure qualité de surface. Cependant, le temps d'impression sera très long, environ 9 heures et 59 minutes. Les consommables représenteront 24,91 mètres et le produit fini pèsera 748 grammes.Insérez la carte SD préparée dans l'imprimante 3D. Effectuez le débogage avant impression et préchauffez le lit chaud et la tête d'impression. Le système ajoutera automatiquement le support de l'ensemble. Enfin, lancez l'impression du bloc intégré de la vanne hydraulique conformément à la configuration du modèle original.Le résultat est illustré à la figure 26-313d.
Il convient de noter que lors de l'impression du bloc de vannes hydrauliques, il faut respecter les exigences relatives à la position d'installation de l'entrée et de la sortie du bloc de vannes. Vous devez également veiller à la conception de la surépaisseur d'usinage. La conception de la courbure de la voie d'écoulement interne dépendra de votre choix de matériaux d'impression 3D et du processus d'impression. Par exemple, le processus de fusion par faisceau d'électrons (EBM) utilisant l'alliage de titane Ti-6Al-4V offre aux concepteurs une plus grande liberté dans la taille du canal circulaire. Cette liberté dépasse ce qu'ils peuvent obtenir avec un lit de poudre laser. En outre, les concepteurs peuvent produire la pièce sans structure de support.
Dans l'impression 3D liée à la poudre, nous devons également envisager d'éliminer la poudre métallique piégée qui reste dans le canal. Plus tard, nous pourrons avoir besoin d'un scanner pour vérifier si nous avons retiré toute la poudre du canal. Si de la poudre piégée est présente, la méthode d'élimination est la gravure chimique (voir figure 26-315). L'attaque chimique élimine la majeure partie de la poudre piégée et peut également améliorer de manière significative la rugosité de la surface. Toutefois, pour les poudres que la gravure chimique ne peut toujours pas éliminer, les concepteurs peuvent ajouter des orifices d'élimination de poudre supplémentaires pour faciliter l'élimination de la poudre. En outre, vous pouvez faciliter l'usinage des orifices à un stade ultérieur en déplaçant certains passages au cours du processus de conception. Cet ajustement permet au dispositif de fixation de rester sur la partie inférieure de la pièce. Par conséquent, vous pouvez usiner tous les orifices du bloc de vannes hydrauliques en un seul serrage à l'aide d'une machine à 5 axes.
Contact Zhuo Yi Control Technology pour les technologies de production les plus récentes !
