3D-печать оказывает разрушительное воздействие на обработку блоков гидравлических клапанов
3D-печать в гидравлике может включать в себя детали гидравлических компонентов (см. рис. 26-307), блоки гидравлических клапанов (см. рис. 26-308) и песчаные модели для гидравлического литья. Одним из основных направлений является производство блоков гидравлических клапанов с помощью 3D-печати. 3D-печать блоков клапанов гидравлических картриджей является наиболее показательным и успешным примером применения 3D-печати в промышленности. Благодаря использованию 3D-печати, результаты обработки блока картриджного клапана очень значительны.
Эти результаты показывают, что проектирование очень сложного внутреннего тракта потока может значительно снизить вес и улучшить соотношение мощности и веса гидравлических компонентов. Такая конструкция упрощает и ускоряет обработку, делая ее эффективной и экономически выгодной. Она оптимизирует форму гидравлического тракта, снижая как сопротивление трения, так и местное сопротивление, тем самым уменьшая потери мощности, вызванные гидравлическим трактом. Он также напрямую соединяет CAD-проектирование и CAE-обработку блока клапанов, обеспечивая модернизированный метод обработки. Короче говоря, для технологии обработки блока клапанов, чтобы принести разрушительные изменения.
Преимущества 3D-печати для производства на предприятиях можно кратко перечислить следующим образом.
1) свобода дизайна, индивидуальный подход, упрощенная, легкая конструкция, не требующая сборки.
2) отсутствие пресс-формы, возможность быстрого итеративного и гибкого изготовления прототипов.
3) Сокращение сроков изготовления: от нескольких недель до нескольких дней, включая благоприятные условия для технического обслуживания.
4) Энергоэффективность.
5) Оптимизация внутренних путей потока в корпусе клапана, снижение потерь давления в корпусе клапана, снижение потерь гидравлической энергии.
6) Уменьшение засорения процесса, а также сокращение возможных мест утечки.
7) Свобода проектирования с более удобной геометрией внутренних и внешних деталей.
8) Оптимизация конструкции и снижение массы.
9) Высокая функциональная интеграция и меньший размер.
10) Улучшенная реализация контроля механических характеристик.
В настоящее время отечественные и зарубежные исследования и разработки в области аддитивного производства (AM) ведутся очень активно, например, Bosch Rexroth разрабатывает 3D-печатную гидравлическую систему, особенно сервоклапан в ней. Среди партнеров проекта - известный немецкий семейный бизнес по производству станков через фаст (TRUMPF) и эксперты по производству порошковых материалов Heraeus (Герай). Китайские гидравлические предприятия также применяют свои разработки в этой области, такие как Sykes Hydraulic Technology Co.
Однако в настоящее время на пути развития остается множество проблем. Помимо эффективности самой технологии 3D-печати и проблемы стабильности качества, еще одну сложность представляет сертификация. Китайские предприятия до сих пор не имеют полного набора идей о том, как справиться со сложностью применения технологии 3D-печати для создания гидравлических изделий в сложных и суровых условиях. Отрасль должна как можно скорее создать комплексную систему обслуживания населения. Это поможет превратить новую технологию в инструмент повышения производительности. Отрасль должна создать систему общественного обслуживания, чтобы сделать новую технологию инструментом для развития производительности.
В настоящее время аддитивное производство блоков гидравлических клапанов все еще находится на стадии проверки дизайна при разработке новых изделий. Оно также используется для мелкосерийного производства единичных деталей и изготовления специальных сложных деталей. Кроме того, аддитивное производство используется для быстрого изготовления пресс-форм. С точки зрения развития производства 3D-печати, эта технология будет играть важную роль в будущем. Она станет средством обработки гидравлических интегрированных блоки клапанов в серийном производстве. По сравнению с традиционными гидравлическими деталями, металлическая 3D-печать позволила значительно улучшить аэрокосмическую гидравлику. Самое раннее применение этой технологии привело к снижению веса основной гидравлической части системы управления полетом. Кроме того, это привело к отказу от 10 деталей (см. рис. 26-308c).
Влияние 3D-печати на общий процесс проектирования блока гидравлических клапанов и его изготовление
Гидравлический интегрированный блок состоит из корпуса клапана со сложными проточными каналами. Внутри блока имеются отверстия для масла, отверстия для позиционирования, отверстия для соединительных винтов и отверстия для крепления блока. Кроме того, в блоке имеются отверстия для установки картриджного клапана и боковые масляные каналы для картриджных клапанов. В то же время, чтобы обеспечить правильное соединение отверстий без помех, иногда также устанавливают ряд технологических отверстий.
Конструкция блока гидравлических клапанов должна соответствовать ограничениям по монтажу, возможностям подключения и технологическим ограничениям. Внешняя поверхность блока должна обеспечивать достаточное пространство для установки компонентов клапана, не создавая помех между ними. Все отверстия должны соответствовать требованиям к соединяемости и несоединяемости. Важно обеспечить безопасность толщины стенок. Диаметр и глубина каждого отверстия должны находиться в пределах обрабатываемого диапазона. Гидравлический блок клапанов должен отвечать этим трем требованиям в условиях простого масляного контура, небольшого размера и малого веса.
Обычная обработка блока гидравлических клапанов требует предварительной обработки, механической обработки, снятия заусенцев, очистки и других процессов (см. рис. 26-309а). Мы проводим предварительную обработку главным образом для того, чтобы проверить или провести неразрушающий контроль материала блока клапанов. Этот этап гарантирует, что внутренняя структура материала плотная. Также проверяется, что в материале нет трахомы и защемлений. В процессе обработки мы придаем блоку клапанов грубую форму, предварительно фрезеруя, строгая и выполняя другие процессы на черновой заготовке.
Затем мы используем плоскогубцы для зачистки и контролируем шероховатость поверхности блока клапанов, чтобы предотвратить такие проблемы, как утечка. После обработки мы снимаем заусенцы с блока клапанов, чтобы обеспечить его гладкость. На этапе очистки мы используем антикоррозийную чистящую жидкость и прикладываем определенное давление для очистки глухих отверстий блока клапанов и других частей, избегая остатков грязи и мусора. При традиционных процессах обработки блоков гидравлических клапанов мы сталкиваемся с такими проблемами, как громоздкий зажим. Мы также сталкиваемся с трудностями в контроле допусков формы и положения.
Кроме того, предъявляются высокие требования к шероховатости поверхности. Мы выполняем сверление, расширение, растачивание, развертывание и другие процессы обработки отверстий, что делает процесс сложным и деликатным. Гидравлический интегрированный блок имеет большие размеры с пересекающимися и смешивающимися отверстиями, что усложняет процесс обработки. Традиционная обработка приводит к образованию крестообразного проточного канала в готовом гидравлическом интегральном блоке. Такая конструкция увеличивает местное затухание и неизбежно повышает гидравлические потери.
Технология 3D-печати обеспечивает большую степень свободы проектирования. Дизайн напечатанных на 3D-принтере клапанных блоков позволяет использовать инновационные методы проектирования блоков. Мы можем оптимизировать внутренние пути потока без учета конструктивных ограничений, связанных с поперечным сверлением отверстий. Поскольку 3D-печать предполагает наслоение металлических порошков (см. рис. 26-309b), мы можем предварительно оптимизировать конструкцию внутренних каналов потока и спроектировать поперечные углы в виде скругленных изгибов. Такой подход уменьшает затухание в каналах потока и минимизирует локальные потери в гидравлике.
Кроме того, мы уменьшаем объем всего блока клапанов по сравнению с традиционными конструкциями и можем избежать возможных утечек на поверхностях соединения блоков клапанов. Обработка и изготовление с помощью 3D-печати также позволяет избежать таких проблем, как трудно контролируемые допуски формы и положения. Требования к контролю формы и положения в основном выполняются. Кроме того, 3D-печать устраняет проблемы с зажимами, связанные с традиционной механической обработкой. Она также уменьшает ненужную массу металла, за исключением коллекторов, что позволяет получить легкий блок клапанов.
Влияние 3D-печати на совершенствование конструкции проточных трактов в блоках гидравлических клапанов
При традиционном проектировании отверстий для достижения пропускной способности неизбежно приходится создавать Т- или крестообразное пересечение системы отверстий (см. рис. 26-310a). В отличие от этого, при 3D-печати вполне возможно проектирование по принципу минимизации гидравлического демпфирования проточного канала (см. рис. 26-310b). На рис. 26-311 представлен результат сравнения потерь давления в различных проточных каналах при одинаковой скорости потока. Этот результат показывает, что изменение формы проточного канала в клапанном блоке может снизить потери давления в клапанном блоке.
Процесс печати универсального блока клапанов для гидравлического картриджного клапана
(1) Выберите подходящее оборудование и метод 3D-печати В соответствии с требованиями к материалу блока гидравлических клапанов необходимо выбрать соответствующее оборудование для 3D-печати. Технологии 3D-печати, используемые для изготовления гидравлических компонентов, следующие:
1) Технология литья под давлением с использованием металлического порошка (MIM) - это прецизионный процесс обработки металла, для которого требуется связующее вещество с лучшими характеристиками.
2) Металлическая проволока (или гранулы), используемая в технологии моделирования плавленым напылением (FDM), проходит тот же процесс, что и обычная пластиковая FDM. В обоих случаях используется экструзия расплава и послойное формование. Разница заключается в том, что большинство расходных материалов для металлического FDM состоит из смеси металлического порошка и органического связующего. Для технологии впрыска связующего и технологии формования методом плавленого осаждения основных материалов используется нержавеющая сталь 17-4PH и 316L.
3) Технология инжекционного формования со связующим веществом (BI) - это метод аддитивного производства, который предполагает распыление связующего вещества для формования порошка. Эта технология, подобная многим методам лазерного спекания, использующим слой порошка, использует струйную печатающую головку для распыления связующего вещества на порошок. Слои порошка соединяются друг с другом, что позволяет добиться формования. Ранние исследования в области этой технологии были направлены на формирование песчаного литья.
4) Технология Laser powder bed fusion (LB-PBF), также известная как селективное лазерное плавление, представляет собой процесс аддитивного производства на основе порошкового слоя. В ней используются высокоэнергетические лазерные лучи для точечного сканирования порошка с целью его металлургического скрепления, что позволяет печатать высокопроизводительные детали. Мы можем использовать такие материалы, как алюминиевые сплавы, титановые сплавы, сплавы на основе никеля, сплавы черных металлов и сплавы драгоценных металлов. Кроме того, в настоящее время мы разрабатываем другие материалы, в том числе магниевые сплавы. Теоретически с помощью технологии LB-PBF можно обрабатывать любые свариваемые материалы, включая полимолочную кислоту (PLA) - термопласты, изготовленные из возобновляемых ресурсов.
На рис. 26-312 показаны варианты обработки деталей с помощью 3D-печати. Мы обнаружили, что 3D-печать уникально подходит для изготовления блоков гидравлических клапанов и золотников гидравлических клапанов. Основными областями применения технологии 3D-печати являются технология 3D-печати металла селективным плавлением PBF, технология 3D-печати металла струей связующего вещества BJ, а также способ 3D-печати песчаных форм и комбинация литья через струю связующего вещества.
Существует также выбор технологии лазерного плавления (SLM) для производства сервоклапанов, диаметр сферического металлического порошка 30~60 мм, с использованием высокоточного лазерного плавления. Для каждого процесса устанавливается толщина плавления всего в несколько микрон. Затем слой за слоем наращивается, чтобы получить желаемую камеру.
(2)Гидравлический блок клапанов, используемый в 3D-печати для решения проблем с материалами Традиционные материалы для блоков картриджных клапанов подразделяются примерно на следующие категории: чугун, кованая сталь, профили, нержавеющая сталь и алюминиевый сплав. Литые детали могут не плотно прилегать друг к другу, а тонкие стенки могут легко протекать. Как правило, мы не выбираем литье. Вместо этого мы часто используем пластину Q235A и кованую сталь 35. Если требования не высоки, мы также можем использовать стальные листы 45 или 50 или высококачественную углеродистую конструкционную сталь для резки и производства. Общий размер не должен быть слишком большим, а давление применения может превышать 31,5 МПа. Мы обычно используем алюминиевые сплавы, такие как 6061-T6, 7075-T6 и 2A12.
Как правило, мы используем эти алюминиевые сплавы в условиях среднего и низкого давления ниже 25 МПа, поскольку их конструкционная прочность имеет ограничения. Исходя из требований сценариев использования, мы также используем нержавеющую сталь для производства корпуса клапанного блока. Например, водная гидравлика или гидравлические среды на водной основе требуют использования таких материалов в качестве материала корпуса клапана.
С точки зрения 3D-печати, блоки клапанов в гидравлике требуют свойств кузнечного класса. 3D-печать может производить детали из нержавеющей стали, от AISI 304 до 316L. Она также может работать с алюминием, титаном и сплавами на основе никеля. Кроме того, оборудование для 3D-печати может производить некоторые новые материалы небольшими партиями. Материалы для гидравлических изделий должны быть достаточно прочными и устойчивыми к коррозии, чтобы надежно выдерживать высокое давление в гидравлических системах. Доступные материалы включают углеродистую сталь, нержавеющую сталь и алюминий. К таким материалам относится нержавеющая сталь, например AISI304, AISI316L и 17-4PH. Они также включают алюминиевые сплавы, такие как AISi10Mg. Кроме того, мы используем титановые сплавы, такие как Ti6AI4V, высокотемпературные сплавы на основе никеля, такие как IN625 или IN718, и стали мартенситного старения. Мы используем титановые сплавы для печати благодаря их легкости, стабильным механическим свойствам и хорошей коррозионной стойкости.
(3) Преобразование и обнаружение данных модели интегрированной блочной структуры гидравлического клапана Исходя из особенностей 3D-печати, необходимо использовать программное обеспечение для автоматизированного проектирования, чтобы добиться структуры интегрированного блока гидравлического клапана на схеме 3D-модели. Процесс создания модели 3D-печати для интегрированного блока гидравлического клапана показан на рисунке 26-313. На рисунке 26-313a показана общая трехмерная карта. На рисунке 26-313b показана пространственная структура карты.
Чтобы приступить к следующей операции по созданию структурной модели интегрированного блока гидравлического клапана, необходимо создать трехмерные графические файлы SolidWorks. Преобразуйте эти файлы в формат STL. Мы сохраняем 3D-модель в формате STL, который использует треугольную сетку для представления различных граней структуры блока гидравлических клапанов. На рисунке 26-313c показана 3D-модель блока гидравлических клапанов в формате STL. Это первый шаг в 3D-печати. После преобразования модели импортируйте ее файл в соответствующее программное обеспечение для проверки целостности. Если проверка не выявит проблем, можно переходить к следующему шагу. 3D-печать физического объекта показана на рис. 26-313d.
(4) Ввести нарезку модели и задать направление формовки Перед нарезкой необходимо проверить и отремонтировать файл модели в соответствии с технологией, чтобы не было замкнутого кольца и явления неоднозначности. Поместите сохраненный stl-файл в программу Netfabb для обнаружения, результаты обнаружения показаны на рис. 26-314.
После того как мы протестируем файл модели и не обнаружим никаких проблем, мы можем импортировать фрагмент модели в программное обеспечение для 3D-печати, чтобы подготовить его к печати. После импорта в программное обеспечение в правой части дисплея компьютера появятся опции настройки параметров. Там можно настроить качество печати, скорость, температуру горячего слоя и другие параметры. Слева показан 3D-вид блока гидравлических клапанов, куда можно перетащить модель для печати. Слева показан 3D-вид блока гидравлических клапанов, позволяющий перетаскивать модель для выполнения основных операций, таких как перемещение, масштабирование и вращение.
Кроме того, очень важно задать направление формования. От этого зависит, насколько хорошо мы сможем сэкономить печатный материал. Оно также влияет на то, насколько мы можем сократить время печати. Для характеристик изделия, представляющего собой интегрированный блок гидравлического клапана, не нужно устанавливать опору для всей конструкции. Однако необходимо добавить соответствующую поддержку для нависающей поверхности отверстия. Этот шаг обеспечивает сбалансированную печать на протяжении всего процесса. После печати можно полностью удалить опорный материал. Сначала настройте соответствующие параметры. Затем система сохранит файл и преобразует его в соответствующий код. Затем система поместит файл на SD-карту 3D-принтера. Этот процесс завершает нарезку и подготавливает принтер к началу печати.
(5) Гидравлический клапан встроенный блок модель печати и формирования Установите диаметр материала для печати 1,75 мм и скорость потока 100%. Установите толщину слоя печати в диапазоне от 0,1 мм до 0,3 мм. При использовании толщины слоя 0,1 мм напечатанный объект будет иметь более высокую точность и качество поверхности. Однако время печати будет очень долгим, примерно 9 часов 59 минут. Расходные материалы составят 24,91 метра, а готовое изделие будет весить 748 граммов. Вставьте подготовленную SD-карту в 3D-принтер. Выполните отладку перед печатью и разогрейте горячий стол и печатающую головку. Система автоматически добавит установленную поддержку. И наконец, запустите печать интегрированного блока гидравлического клапана в соответствии с исходными параметрами модели. Результат показан на рис. 26-313d.
Обратите внимание, что при печати блока гидравлических клапанов необходимо соблюдать требования к монтажному положению впускного и выпускного клапанов блока. Также необходимо предусмотреть припуск на обработку. Дизайн кривизны внутреннего канала потока зависит от выбранных вами материалов для 3D-печати и процесса печати. Например, процесс электронно-лучевого плавления (EBM) с использованием титанового сплава Ti-6Al-4V дает конструкторам большую свободу в выборе размера кругового канала. Эта свобода превосходит возможности, которых можно достичь при использовании лазерного порошка. Кроме того, конструкторы могут изготавливать деталь без опорной конструкции.
При порошковой 3D-печати нам также необходимо позаботиться об удалении металлического порошка, оставшегося в канале. Позже может потребоваться компьютерная томография, чтобы убедиться, что мы удалили весь порошок из канала. Если порошок в канале присутствует, методом его удаления является химическое травление (см. рис. 26-315). Химическое травление удаляет большую часть застрявшего порошка и может также значительно улучшить шероховатость поверхности. Однако для порошков, которые химическое травление все же не может удалить, конструкторы могут добавить дополнительные отверстия для удаления порошка, чтобы облегчить его удаление. Кроме того, можно облегчить обработку портов на более позднем этапе, переместив некоторые проходы в процессе проектирования. Такая регулировка позволяет закрепить приспособление на нижней части детали. В результате можно обрабатывать все порты блока гидравлических клапанов за одну установку зажима на 5-осевом станке.
Связаться с Zhuo Yi Control Technology для новейших технологий производства!
