3D 프린팅이 유압 밸브 블록 가공에 미치는 파괴적인 영향
유압 분야의 3D 프린팅에는 유압 부품 부품(그림 26-307 참조), 유압 밸브 블록(그림 26-308 참조), 유압 주조용 모래 패턴이 포함될 수 있습니다. 그중에서도 3D 프린팅을 이용한 유압 밸브 블록의 생산에 중점을 두고 있습니다. 유압 카트리지 밸브 블록의 3D 프린팅은 산업용 애플리케이션에서 3D 프린팅의 가장 대표적이고 성공적인 사례입니다. 카트리지 밸브 블록의 경우 3D 프린팅을 사용하기 때문에 가공 결과가 매우 중요합니다.
이러한 결과는 매우 복잡한 내부 흐름 경로를 설계하면 무게를 크게 줄이고 유압 부품의 중량 대비 전력 비율을 개선할 수 있음을 보여줍니다. 이 설계는 처리를 단순화하고 속도를 높여 효율적이고 비용 효과적입니다. 유압 흐름 경로의 모양을 최적화하여 마찰 저항과 국부 저항을 모두 줄여 유압 흐름 경로로 인한 전력 손실을 줄입니다. 또한 밸브 블록의 CAD 설계와 CAE 처리를 직접 연결하여 현대화 된 처리 방법을 달성합니다. 요컨대, 밸브 블록 처리 기술이 파괴적인 변화를 가져올 수 있습니다.
기업 생산용 3D 프린팅의 이점은 다음과 같이 간략하게 나열할 수 있습니다.
1) 디자인의 자유, 개인화, 단순화, 경량화, 조립이 필요 없는 디자인.
2) 금형이 없어 신속하게 반복적이고 유연한 프로토타입 제작이 가능합니다.
3) 제조 시간이 몇 주에서 며칠로 단축되어 리드 타임이 짧아지고 유지 보수에 유리합니다.
4) 에너지 효율.
5) 밸브 본체 내부 유량 경로 최적화, 밸브 본체의 압력 손실 감소, 유압 에너지 손실 감소.
6) 프로세스 막힘이 감소하고 누출 가능성이 있는 지점도 감소했습니다.
7) 내부 및 외부 부품 형상을 더욱 자유롭게 활용할 수 있는 설계 자유도.
8) 디자인 최적화 및 질량 감소.
9) 더 높은 기능 통합과 더 작은 크기.
10) 기계적 특성 제어를 더 잘 실현합니다.
현재 보쉬렉스로스가 3D 프린팅 유압 시스템, 특히 서보 밸브를 개발하는 등 적층 제조(AM) 분야의 국내외 연구 개발이 매우 활발합니다. 프로젝트 파트너로는 독일의 유명한 공작 기계 가족 기업인 TRUMPF와 분말 재료 제조 전문 기업인 헤레우스(Heraeus)가 있습니다. 중국의 유압 기업들도 이 분야에 적용되고 있는데, 예를 들어 Sykes Hydraulic Technology Co.
그러나 현재 개발 단계에는 많은 과제가 남아 있습니다. 3D 프린팅 기술 자체의 효율성과 품질 일관성 문제 외에도 인증은 또 다른 어려움을 야기합니다. 중국 기업들은 복잡하고 열악한 조건에서 3D 프린팅 기술을 적용하여 유압 제품을 만드는 복잡성을 충족하는 방법에 대한 완전한 아이디어가 아직 부족합니다. 업계는 가능한 한 빨리 종합적인 공공 서비스 시스템을 구축해야 합니다. 이는 이 새로운 기술을 생산성 향상을 위한 도구로 만드는 데 도움이 될 것입니다. 업계는 이 신기술을 생산성 발전의 도구로 만들기 위해 공공 서비스 시스템을 구축해야 합니다.
현재 유압 밸브 블록 적층 제조의 적용은 아직 신제품 개발의 설계 검증 단계에 있습니다. 또한 단일 부품 소량 생산 및 특수 복합 부품 제조에도 사용됩니다. 또한 적층 제조는 신속한 금형 생산에도 사용됩니다. 3D 프린팅 제조 개발의 관점에서 볼 때 이 기술은 앞으로 중요한 역할을 할 것입니다. 유압 통합 처리의 수단이 될 것입니다. 밸브 블록 배치 생산에서. 금속 3D 프린팅은 전통적으로 제조된 유압 부품과 비교하여 항공우주 유압 분야에서 상당한 개선을 이루었습니다. 이 기술의 초기 도입으로 주요 비행 제어 유압 부품의 무게가 감소했습니다. 또한 10개의 부품을 제거할 수 있었습니다(그림 26-308c 참조).
3D 프린팅이 유압 밸브 블록의 전체 설계 프로세스 및 제작에 미치는 영향
유압 통합 블록은 복잡한 흐름 경로를 가진 밸브 본체로 구성됩니다. 내부에는 오일 구멍, 위치 지정 구멍, 연결 나사 구멍, 블록 장착 구멍이 있습니다. 또한 이 블록에는 카트리지 밸브 플러그인 장착 구멍과 카트리지 밸브용 측면 오일 통로가 있습니다. 동시에 간섭없이 구멍을 올바르게 연결하기 위해 때로는 여러 개의 프로세스 구멍을 설정하기도합니다.
유압 밸브 블록 설계는 설치 제약, 연결 제약 및 처리 제약 조건을 충족해야 합니다. 블록의 외부 표면은 밸브 구성 요소를 위한 충분한 설치 공간을 제공해야 하며, 구성 요소 간에 간섭이 발생하지 않도록 해야 합니다. 모든 구멍은 연결 및 비연결에 대한 요구 사항을 충족해야 합니다. 벽 두께의 안전을 보장하는 것이 중요합니다. 각 구멍의 직경과 깊이는 가공 가능한 범위 내에 있어야 합니다. 유압 밸브 블록 설계 지침은 오일 회로가 간단하고 크기가 작으며 무게가 가벼운 조건에서이 세 가지 제약 조건을 충족하는 것입니다.
기존의 유압 밸브 블록 가공에는 전처리, 기계 가공, 디버링, 세척 및 기타 공정이 필요합니다(그림 26-309a 참조). 전처리는 주로 밸브 블록 소재를 검사하거나 비파괴 검사를 수행하기 위해 수행됩니다. 이 단계에서는 재료의 내부 구조가 조밀한지 확인합니다. 또한 소재에 트라코마 및 이물질이 없는지도 확인합니다. 가공 중에는 먼저 거친 블랭크에 밀링, 평면 가공 및 기타 공정을 수행하여 밸브 블록의 대략적인 모양을 만듭니다.
그런 다음 플라이어를 사용하여 스크라이빙하고 밸브 블록 표면의 거칠기를 제어하여 누수 등의 문제를 방지합니다. 가공 후에는 밸브 블록을 디버링하여 부드러움을 보장합니다. 세척 단계에서는 방청 세정액을 사용하고 일정한 압력을 가하여 밸브 블록의 막힌 구멍과 기타 부품을 청소하여 잔류 먼지와 이물질을 방지하며, 유압 밸브 블록의 기존 가공 공정에서는 번거로운 클램핑과 같은 문제에 직면합니다. 또한 모양과 위치 공차를 제어하는 데 어려움이 있습니다.
또한 표면 거칠기에 대한 요구 사항이 높으며 구멍에 드릴링, 확장, 보링, 리밍 및 기타 공정을 수행하므로 공정이 복잡하고 섬세합니다. 유압 통합 블록은 크기가 크고 오리피스가 교차하고 혼합되어 있어 가공이 더 어렵습니다. 기존 공정에서는 완성된 유압 통합 블록에 십자형 유로가 생깁니다. 이러한 설계는 국부적인 감쇠를 증가시키고 필연적으로 유압 손실을 증가시킵니다.
3D 프린팅 기술을 통해 더 높은 수준의 설계 자유도를 확보할 수 있습니다. 3D 프린팅 밸브 블록의 설계는 블록 설계 기술의 혁신을 가능하게 합니다. 교차 드릴링 구멍의 설계 제약을 고려할 필요 없이 내부 유로를 최적화할 수 있습니다. 3D 프린팅은 금속 분말을 층층이 쌓아 올리기 때문에(그림 26-309b 참조) 내부 흐름 경로의 설계를 미리 최적화하고 교차 모서리를 둥근 굴곡으로 설계할 수 있습니다. 이 접근 방식은 유로의 감쇠를 줄이고 유압장치의 국부적인 손실을 최소화합니다.
또한 전체 밸브 블록의 부피를 기존 설계보다 작게 만들 수 있으며 밸브 블록 결합 표면에서 잠재적인 누출을 방지할 수 있습니다. 3D 프린팅 가공 및 제조는 또한 제어하기 어려운 형상 및 위치 공차와 같은 문제를 방지합니다. 기본적으로 형상 및 위치 제어 요구 사항이 충족됩니다. 또한 3D 프린팅은 기존 가공과 관련된 클램핑 문제를 제거합니다. 또한 매니폴드를 제외한 금속의 불필요한 질량을 줄여 밸브 블록을 경량화할 수 있습니다.
3D 프린팅이 유압 밸브 블록의 유로 설계 개선에 미치는 영향
기존 오리피스 설계에서는 처리량을 달성하기 위해 T자형 또는 십자형 오리피스 시스템 교차점을 제공할 수밖에 없습니다(그림 26-310a 참조). 반면 3D 프린팅에서는 흐름 채널의 유압 감쇠를 최소화하는 원리에 따라 설계하는 것이 전적으로 가능합니다(그림 26-310b 참조). 그림 26-311은 동일한 유량에서 서로 다른 유체 채널의 압력 손실을 비교한 결과를 보여줍니다. 이 결과는 밸브 블록의 유량 채널 모양을 변경하면 밸브 블록의 압력 손실을 줄일 수 있음을 보여줍니다.
유압 카트리지 밸브용 범용 밸브 블록의 인쇄 공정
(1) 적합한 3D 프린팅 장비 및 방법 선택 유압 밸브 블록 재료 요구 사항에 따라 적합한 3D 프린팅 장비를 선택해야 합니다. 유압 부품에 사용되는 3D 프린팅 기술은 다음과 같습니다:
1) 금속 분말 사출 성형(MIM) 기술은 정밀 금속 가공 공정으로, 더 나은 성능을 가진 바인더가 필요합니다.
2) 용융 증착 모델링(FDM) 기술에 사용되는 금속 와이어(또는 펠릿)는 일반 플라스틱 FDM과 동일한 공정을 따릅니다. 둘 다 용융 압출과 층별 성형을 사용합니다. 차이점은 금속 FDM의 대부분의 소모품이 금속 분말과 유기 바인더의 혼합물로 구성되어 있다는 것입니다. 17-4PH 및 316L 스테인리스 스틸은 바인더 사출 기술과 주류 재료의 용융 증착 성형 기술에 사용됩니다.
3) 바인더 사출 성형(BI) 기술은 바인더를 분사하여 분말을 성형하는 적층 제조 방식입니다. 이 기술은 파우더 베드를 사용하는 많은 레이저 소결 기술과 유사하게 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 파우더에 바인더를 분사합니다. 파우더 층이 서로 결합하여 성형이 이루어집니다. 이 기술의 초기 연구는 모래 주조 형성에 중점을 두었습니다.
4) 선택적 레이저 용융이라고도 하는 레이저 파우더 베드 융착(LB-PBF) 기술은 파우더 베드 기반 적층 제조 공정입니다. 고에너지 레이저 빔을 사용하여 야금 결합을 위해 분말을 점 단위로 스캐닝하여 고성능 부품을 인쇄할 수 있습니다. 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 니켈 기반 합금, 철 합금 및 귀금속 합금과 같은 재료를 사용할 수 있습니다. 또한 현재 마그네슘 합금을 포함한 다른 소재도 개발 중입니다. 이론적으로는 재생 가능한 자원으로 만든 열가소성 플라스틱인 폴리락트산(PLA) 소재를 포함한 모든 용접 가능한 소재를 LB-PBF 기술로 가공할 수 있습니다.
그림 26-312는 3D 프린팅으로 부품을 가공하는 옵션을 보여줍니다. 3D 프린팅은 유압 밸브 블록과 유압 밸브 스풀 제조에 매우 적합하다는 것을 알 수 있습니다. 3D 프린팅 기술의 주요 응용 분야는 바인더 제트 3D 프린팅 모래 주형과 주조 조합을 통한 방식 외에도 PBF 선택적 용융 금속 3D 프린팅 기술, BJ 바인더 제트 금속 3D 프린팅 기술입니다.
또한 고정밀 레이저 용융을 사용하여 직경 30~60um 구형 금속 분말인 서보 밸브를 제조하는 레이저 용융(SLM) 기술을 선택할 수 있습니다. 각 공정마다 수 미크론의 용융 두께만 설정합니다. 그런 다음 원하는 챔버를 얻기 위해 층층이 쌓아 올립니다.
(2)3D 프린팅 재료 문제에 사용되는 유압 밸브 블록 기존의 카트리지 밸브 블록 재질은 크게 주철, 단조강, 프로파일, 스테인리스강 및 알루미늄 합금으로 분류됩니다. 주물은 밀착되지 않을 수 있고 벽이 얇으면 쉽게 누출될 수 있습니다. 일반적으로 주물은 선택하지 않습니다. 대신 Q235A 강판과 35단조강을 사용하는 경우가 많습니다. 요구 사항이 높지 않은 경우에는 45 또는 50 다이 강판 또는 고품질 탄소 구조용 강철을 절단 및 생산에 사용할 수도 있습니다. 일반적인 크기는 너무 크지 않아야 하며 압력 적용은 31.5MPa를 초과할 수 있습니다. 일반적으로 6061-T6, 7075-T6, 2A12와 같은 알루미늄 합금을 사용합니다.
일반적으로 이러한 알루미늄 합금은 구조적 강도에 한계가 있기 때문에 25MPa 미만의 중압 및 저압 상황에서 사용합니다. 사용 시나리오의 요구 사항에 따라 스테인리스 스틸을 사용하여 밸브 블록 본체를 생산하기도 합니다. 예를 들어, 밸브 본체 재료로 수력학 또는 수성 유압 매체와 같은 재료를 사용하는 경우입니다.
3D 프린팅 관점에서 볼 때 유압 장치의 밸브 블록은 단조 등급의 특성이 필요하며, 3D 프린팅은 AISI 304에서 316L에 이르는 스테인리스 스틸 부품을 생산할 수 있습니다. 또한 알루미늄, 티타늄 및 니켈 기반 합금도 처리할 수 있습니다. 또한 3D 프린팅 장비는 일부 신소재를 소량으로 생산할 수 있습니다. 유압 제품용 소재는 유압 시스템의 고압을 안전하게 처리할 수 있을 만큼 강하고 부식에 강해야 합니다. 사용 가능한 재료로는 탄소강, 스테인리스강, 알루미늄 등이 있습니다. 이러한 소재에는 AISI304, AISI316L, 17-4PH와 같은 스테인리스 스틸이 포함됩니다. 또한 AISi10Mg와 같은 알루미늄 합금도 포함됩니다. 또한 Ti6AI4V와 같은 티타늄 합금, IN625 또는 IN718과 같은 고온 니켈 기반 합금, 마르텐사이트 에이징 강을 사용합니다. 가볍고 기계적 특성이 안정적이며 내식성이 우수한 티타늄 합금을 인쇄에 사용하는 이유는 가볍고 내식성이 뛰어나기 때문입니다.
(3) 유압 밸브 통합 블록 구조 모델 데이터 변환 및 감지 3D 프린팅의 특성에 따라 3D 모델 설계 다이어그램의 유압 밸브 통합 블록 구조를 달성하기 위해 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어를 사용해야 합니다. 유압 밸브 통합 블록의 3D 프린팅 모델을 생성하는 과정은 그림 26-313에 나와 있습니다. 그림 26-313a는 전체 3차원 맵을 표시합니다. 그림 26-313b는 맵의 공간 구조를 보여줍니다.
유압 밸브 통합 블록 구조 모델에서 다음 작업을 진행하려면 SolidWorks 3차원 그래픽 파일을 설계해야 합니다. 이 파일을 STL 형식으로 변환합니다. 삼각형 메쉬를 사용하여 유압 밸브 블록 구조의 다양한 면을 표현하는 STL 형식으로 3D 모델을 저장합니다. 그림 26-313c는 유압 밸브 블록의 3D 모델을 STL 형식으로 보여줍니다. 이것이 3D 프린팅의 첫 번째 단계입니다. 모델을 변환한 후 무결성 테스트를 위해 모델 파일을 적절한 소프트웨어로 가져옵니다. 테스트 결과 문제가 없으면 다음 단계로 진행할 수 있습니다. 실제 물체의 3D 프린팅은 그림 26-313d에 나와 있습니다.
(4) 모델 슬라이싱을 도입하고 성형 방향을 설정합니다. 슬라이싱하기 전에 모델 파일을 닫힌 링과 모호성 현상이없는 기술로 테스트하고 복구해야합니다. 저장된 stl 파일을 Netfabb 소프트웨어에 넣어 탐지하면 탐지 결과가 그림 26-314에 나와 있습니다.
모델 파일을 테스트하고 문제가 없는 것으로 확인되면 모델 슬라이스를 3D 프린팅 소프트웨어로 가져와서 프린팅을 준비할 수 있습니다. 소프트웨어로 가져온 후 컴퓨터 디스플레이의 오른쪽에 파라미터 설정 옵션이 표시됩니다. 여기에서 인쇄 품질, 속도, 핫 베드 온도 및 기타 파라미터를 설정할 수 있습니다. 왼쪽에는 모델을 드래그하여 인쇄할 수 있는 유압 밸브 블록의 3D 보기가 표시됩니다. 왼쪽에는 유압 밸브 블록의 3D 보기가 표시되며, 모델을 드래그하여 이동, 크기 조정, 회전과 같은 기본 작업을 수행할 수 있습니다.
또한 성형 방향을 설정하는 것도 매우 중요합니다. 이는 인쇄 재료를 얼마나 잘 절약할 수 있는지에 영향을 미칩니다. 또한 인쇄 시간을 얼마나 단축할 수 있는지도 영향을 미칩니다. 유압 밸브 일체형 블록의 제품 특성 상 전체 구조에 대한 지지대를 설정할 필요는 없습니다. 그러나 조리개의 돌출된 표면에 적절한 지지대를 추가해야 합니다. 이 단계는 프로세스 전체에서 균형 잡힌 인쇄를 보장합니다. 인쇄 후 서포트 재료를 완전히 제거할 수 있습니다. 먼저 해당 설정을 구성합니다. 그러면 시스템이 파일을 저장하고 관련 코드로 변환합니다. 그런 다음 시스템이 파일을 3D 프린터의 SD 카드에 저장합니다. 이 과정을 통해 슬라이싱이 완료되고 프린터가 인쇄를 시작할 준비가 완료됩니다.
(5) 유압 밸브 통합 블록 모델 프린팅 및 성형 인쇄 재료의 직경을 1.75mm로 설정하고 유량을 100%로 설정합니다. 인쇄 레이어 두께를 0.1mm에서 0.3mm 사이로 조정합니다. 0.1mm의 레이어 두께를 사용하면 인쇄된 엔티티의 정확도와 표면 품질이 높아집니다. 그러나 인쇄 시간은 약 9시간 59분으로 매우 길어집니다. 소모품은 24.91 미터에 달하고 완제품의 무게는 748 그램입니다.준비된 SD 카드를 3D 프린터에 삽입합니다. 인쇄 전 디버깅을 수행하고 핫 베드와 프린트 헤드를 예열합니다. 시스템이 자동으로 설정된 서포트를 추가합니다. 마지막으로 원래 모델 설정에 따라 유압 밸브 통합 블록 프린팅을 시작하고 결과는 그림 26-313d에 나와 있습니다.
유압 밸브 블록을 인쇄할 때는 밸브 블록 입구 및 출구의 설치 위치 요구 사항을 유지해야 합니다. 또한 가공 여유 설계도 확인해야 합니다. 내부 유로 곡률의 설계는 선택한 3D 프린팅 재료와 프린팅 공정에 따라 달라집니다. 예를 들어 티타늄 합금 Ti-6Al-4V를 사용하는 전자빔 용융(EBM) 공정을 사용하면 설계자가 원형 채널의 크기를 더 자유롭게 설계할 수 있습니다. 이러한 자유도는 레이저 파우더 베드를 사용하여 달성할 수 있는 것보다 훨씬 뛰어납니다. 또한 설계자는 지지 구조 없이도 부품을 제작할 수 있습니다.
파우더 관련 3D 프린팅에서는 채널에 남아 있는 갇힌 금속 파우더를 제거하는 것도 고려해야 합니다. 나중에 채널에서 파우더를 모두 제거했는지 확인하기 위해 CT 스캔이 필요할 수 있습니다. 갇힌 파우더가 있는 경우 제거 방법은 화학적 에칭입니다(그림 26-315 참조). 화학적 에칭은 갇힌 파우더의 대부분을 제거하고 표면 거칠기를 크게 개선할 수 있습니다. 그러나 화학적 에칭으로도 제거할 수 없는 파우더의 경우 설계자는 파우더 제거 포트를 추가하여 파우더 제거를 용이하게 할 수 있습니다. 또한 설계 과정에서 일부 통로를 이동하여 나중에 포트의 가공을 용이하게 할 수 있습니다. 이 조정을 통해 픽스처가 부품의 바닥에 남아있도록 할 수 있습니다. 결과적으로 5축 기계를 사용하여 단일 클램핑 설정으로 유압 밸브 블록의 모든 포트를 가공할 수 있습니다.
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