Аддитивные технологии шагнули в гидравлику

Аддитивные технологии (АТ) — печать изделий на 3D-принтерах — новая интенсивно развивающаяся область техники. В настоящее время они преимущественно используются в аэрокосмической и авиационной промышленности, автомобилестроении (в том числе в гоночных автомобилях), судостроении, энергетическом и оборонном секторах, теплообменниках, устройствах безопасности, нефтегазовом комплексе. Возможность создания «невозможных» вещей делает их незаменимыми в медицине, ювелирной промышленности, искусстве, индустрии развлечений и многих других областях. Специалисты фирмы Aidro Hydraulics (Италия) поставили перед собой вопрос: «Может ли гидравлика получить преимущества от использования АТ?» и ответили на него: «Да, мы видим себя первооткрывателями применения АТ в секторе гидравлики, конечно, когда речь идёт о специальных случаях, а не о крупносерийном производстве». И это не пустые декларации — реальные изделия в металле были представлены в экспозиции фирмы на последней Hannover Messe, причём в настоящее время для гидравлики фирма считает наиболее приемлемой технологию Powder Bed Fusion (SLM Selective Laser Melting или DMLS Direct Metal Laser Sintering).
Разработчики отмечают следующие основные преимущества новой технологии:

персонализация товара;
возможность создания инновационных форм;
существенное (до 60 %) снижение массы изделий;
возможность использования различных материалов (алюминий, нержавеющая сталь, титан, Inconel, Maraging steel и множество других металлов, находящихся в настоящее время в разработке, а также высококачественные пластмассы);
быстрое создание опытных образцов;
широкие возможности моделирования благодаря сокращению сроков изготовления;
повышение технических характеристик гидрокомпонентов (снижение потерь давления, повышение герметичности);
внедрение инновационных подходов к проектированию и соответствующего программного обеспечения.

В качестве примера практической реализации АТ демонстрировался изготовленный из нержавеющей стали гидроблок (рис. 1) с ввёртной гидроаппаратурой для управления цилиндром одностороннего действия, содержащий гидрораспределитель с электроуправлением, предохранительный и обратный клапаны, а также дроссель регулирования скорости движения. Впечатляет дизайн гидроблока: вместо классического параллелепипеда с гнёздами для монтажа гидроаппаратов, механически обработанными каналами основных и соединительных технологических гидролиний с заглушками мы видим оптимальным образом размещённые и связанные каналами произвольной формы втулки для гидроаппаратов и внешних резьбовых присоединений; возможно подключение гидроблока также через нижнюю стыковую плоскость. Замкнулась историческая спираль совершенствования монтажных средств — начали с трубного соединения гидроаппаратов и закончили им же, но уже на принципиально новом уровне развития техники!
Фирма демонстрировала также ряд других изделий, изготовленных по АТ. Сообщается, что редукционный клапан с корпусом из нержавеющей стали (рис. 2) успешно внедрён в промышленности и работает при давлениях до 250 бар.

Рис. 1. Гидроблок, изготовленный с помощью АТ

Рис. 2. Редукционный клапан с корпусом, изготовленным по АТ

а) б)
Рис. 3. Золотник гидрораспределителя выполнен: а) по традиционой технологии, б) с помощью АТ

В золотнике гидрораспределителя с помощью АТ (показано на рис. 3б справа) удалось выполнить радиальные каналы прямоугольной формы и внутренний осевой канал без применения сварки, что способствовало значительному сокращению потерь давления.
Хорошо сознавая, что демонстрируемые изделия — это лишь первые шаги по пути внедрения АТ в гидравлику, фирма провела всесторонний технико-экономический сравнительный анализ традиционной технологии изготовления гидроблоков и АТ; результаты анализа приведены в таблице.

Сравнительный анализ технологий
Параметр
Материал	Сталь с цинковым покрытием	Нержавеющая сталь
Цена/качество	Хорошее в крупносерийном производстве	Хорошее в мелкосерийном производстве
Макетирование	Требуется минимальная партия	Возможны различные варианты одновременно
Время изготовления	Длительное: 1–2 месяца на станках с ЧПУ; 6–12 месяцев с использованием литья	Небольшое: 4–5 дней
Доводка точных поверхностей	Традиционные методы	Требуются инструменты для доводки резьб, канавок и точных поверхностей сопряжения
Сложность формы	Возможна только литьём	Любая без проблем
Подгонка	Возможна только для больших партий	Любая без проблем
Снижение веса	—	до 60 %
Проектирование	Традиционное с использованием многочисленных САПР	Требуются новые подходы и программное обеспечение

Предлагаемые фирмой революционные инновации ещё требуют решения множества серьёзных технологических проблем. По нашему мнению, одной из важнейших является проблема материалов. Несмотря на их рекламируемое многообразие, все образцы изготовлены из нержавеющей стали, которая в большинстве случаев может оказаться слишком дорогой для изготовления гидроблоков; кроме того, эта сталь имеет худшую обрабатываемость по сравнению с традиционно используемой углеродистой сталью. При изготовлении золотников требуется объёмная или поверхностная закалка до твёрдости ~HRC 60, что в традиционных технологиях достигается путём цементации и закалки рабочих поверхностей. Как эта проблема решается в АТ, непонятно.
Остаются пока малоисследованными чрезвычайно важные для гидравлики проблемы прочности и плотности (в смысле отсутствия внутренних пор) деталей, получаемых методом АТ. Указание факта работы клапана в производственных условиях при давлении до 250 бар интересно, но явно недостаточно. Во‑первых, для современных гидроприводов чаще всего применяются более высокие давления и, во‑вторых, требуются длительные ресурсные испытания. Среди недостатков существующей АТ остаётся необходимость доводки точных поверхностей с помощью металлорежущих инструментов. Учитывая, что АТ связана с использованием порошков, обостряется проблема качественной очистки внутренних каналов от загрязнений. С применением АТ полностью изменяется идеология многочисленных существующих САПР-гидроблоков и требуются принципиально новые подходы к проектированию.
Вызывают определённые сомнения и экономические аспекты. Поскольку стоимость 3D-принтеров достаточно высока и на них рекомендуется изготовление малых серий деталей, загрузка и окупаемость этого оборудования могут быть недостаточными в условиях обычных машиностроительных предприятий, а следовательно, эта технология будет рентабельной лишь в ограниченном круге фирм, специализирующихся на изготовлении гидроблоков по спецзаказам.
Конечно, у каждого принципиально нового решения находятся многочисленные критики, ведь критиковать всегда легче, чем быть первооткрывателем. Вспоминается старая институтская байка о том, что как-то в кабинет главного конструктора ЭНИМС академика В. И. Дикушина зашёл создатель электроискрового метода обработки металлов Б. Р. Лазаренко и заявил, что теперь никаких металлорежущих станков не будет, а будет лишь одна обработка электрическим током. Реакция академика последовала мгновенно — изобретатель был выгнан из кабинета! Разумеется, потом жизнь все рассудила и каждая из технологий заняла своё строго ограниченное место. Думается, что так же будет и с вопросом применения АТ в гидравлике. ■

Литература: