Мускулистая гидравлика (часть 2)

В предыдущей статье мы вкратце перечислили, чем же могут помочь аддитивные технологии гидравлическим системам. Теперь поговорим об этом подробнее.

Уменьшение размера и веса

Пожалуй, это самое простое для многочисленных технологий 3D-печати. Например, гидравлический коллектор, с помощью которого регулируется поток жидкости между компонентами гидравлической системы, обычно изготавливается из цельного куска металла, (например, отливки), посредством ЧПУ фрезерования. Очевидно, что перевод большого количества металла в стружку увеличивает стоимость работ и время на изготовление продукции. Кроме того, режущий инструмент ограничен в своей геометрии, а проектировщик стеснён в свободе и гибкости работ, что приводит к проектировочному компромиссу: деталь должна быть технологична (воспроизводима) с помощью оборудования в цехе. Если в цехе стоят классические станки с ЧПУ, не ждите от них получения в коллекторах сложных криволинейных каналов, увеличивающих поток и снижающих перепад давления. Проходы в обычных коллекторах часто необходимо располагать так, чтобы каналы, просверленные поперечно, не пересекались, и между каналами оставалось достаточно материала для обеспечения необходимой прочности. Вспомогательные отверстия, просверленные для соединения внутренних каналов, возможно, придётся заделать, что может привести к утечке в будущем.

3D-печать помогает решить эту проблему с большим бонусом: на изготовление коллектора требуется почти столько же материала, сколько заложено в электронной модели. Проточные каналы могут быть размещены именно там, где они необходимы, и в оптимальных размерах и форме. До сих пор проточные каналы, особенно в таких компонентах, как золотники клапанов, обычно были круглыми, поскольку обрабатывались вращающимися фрезами или сверлами. Создавая компонент послойно, проектировщики могут задавать конфигурации, которые были бы сложными или невозможными при использовании обычных методов производства. Например, каналы могут быть выполнены с квадратным, а не круглым сечением, что увеличивает пропускную способность на 20%. Конструкцию канала можно оптимизировать для достижения большего расхода в меньшем пространстве. Проходы, соединяющие внутренние каналы, не нужно обрабатывать снаружи коллектора, что устраняет потребность в заглушках для отверстий.

Сейчас для решения такой задачи можно рекомендовать использование следующих аддитивных технологий по металлам и сплавам: селективное лазерное сплавление L-PBF, электронно-лучевой плавки E-PBF, печать связующим по металлу MBJ/BJT, выборочное тепловое спекание Metal Jet/SHS, а также такую пока экзотическую, как фотополимеризация в ванне LMM/DLP по металлосодержащим смолам. Полимерные технологии, находящие отклик у энтузиастов, разработчиков робототехники, а также в машиностроении с умеренными условиями эксплуатации, мы рассмотрим в рамках другой статьи.

При использовании литьевых заготовок и их механообработки всегда существует риск получить внутри тела заготовки раковины или прочие дефекты, которые не позволят использовать изделие в дальнейшем и приведут к браку. Независимо от выбранной аддитивной технологии, за один раз послойно отверждается несколько десятков микрометров материала, что позволяет полностью контролировать соотношение скорость/точность. Системы контроля в каждой технологии помогают выявлять дефекты ещё на этапе производства, продолжая или останавливая печать в зависимости от программных настроек.

Помимо снижения веса компонентов, 3D-печать также позволяет создавать более компактные детали, которые лучше вписываются в ограниченное пространство. Это преимущество делает гидравлические компоненты, напечатанные на 3D-принтере, особенно востребованными в сферах, требующих высокой точности и малого веса.

Один из примеров, оптимизированных по размерам и весу гидравлических компонентов, напечатанных на L-PBF 3D-принтере, принадлежит итальянскому производителю Aidro, являющемуся одним из лучших в плане использования аддитивных технологий (рис.1).

Рис. 1. Напечатанный коллектор (справа) на 75% легче традиционно изготавливаемого (слева) (Aidro SrL)

Этот коллектор используется в сельскохозяйственной технике. Он был оптимизирован для экономии веса и места в системе. В результате он стал вдвое меньше и на 75% легче своего предшественника.

Агрегация

Агрегация деталей, призванная объединить несколько деталей в одну, — очень популярное в 3D-печати направление. Она идёт рука об руку с задачей сокращения веса и размера. Более того, она позволяет производителям отказаться от сложной сборки компонентов, а также повысить структурную целостность детали с сокращением слабых мест, способных вызвать утечки.

Оптимизация эффективности

Свобода проектирования и 3D-печать позволяют создать такие криволинейные каналы движения потока жидкости, которые могут повысить эффективность потока на 30—70%, причём в самом компактном размере компонента. Сечение каналов также может варьироваться в зависимости от задач. Каналы могут располагаться близко к друг другу, что невозможно делать при классическом производстве, часто ограниченном геометрией режущего инструмента и возможностями станков.

Свойства материалов

Поскольку 3D-печать по металлу — пока относительно новый способ производства в области гидравлики, возникает вопрос о том, насколько свойства материалов деталей, напечатанных на 3D-принтере, сопоставимы со свойствами материалов, изготовленных традиционными способами. И если требуемые механические свойства, такие как предел прочности при растяжении, предел текучести и модуль упругости, несложно реализовать в напечатанных компонентах на тщательно подобранных материалах, то качественная работа с высоким давлением заслуживает отдельного разговора. Например, циклические удары и пульсации давления могут разрушить деталь через какое-то время. Поэтому коллекторы в традиционной промышленности часто изготавливаются из ковкого чугуна или других пластичных материалов для нивелирования этих пульсаций, но эти материалы не подходят для процесса аддитивного производства. В 3D-печати найден компромисс для гидравлики, и это алюминий и нержавеющая сталь. Механические свойства этих материалов эквивалентны и даже превосходят таковые в прутковом прокате.

Сегодня требуемые компоненты могут быть изготовлены из различных материалов, включая нержавеющую сталь, алюминий, титан, а также металло-композиционные сплавы с наночастицами, предотвращающие горячее растрескивание, порой встречаемое в технологиях лазерного синтеза L-PBF.

По опыту многих компаний, без инженерных расчётов методами конечных элементов (FEM) здесь уже не обойтись, так что для гидравлики очень важны качественные системы проектирования, позволяющие «предугадать» поведение изделия и материала в эксплуатации. Если FEM-анализ показывает проблемные участки в модели, то вы можете заменить на другой материал, увеличить толщину стенок или изменить форму каналов.

Одной из наиболее релевантных технологий для печати гидравлических компонентов на сегодняшний день можно смело назвать L-PBF, дающую возможность получения деталей высочайшего качества, а сертифицированные параметры принтера и высококачественный металлический порошок гарантируют удовлетворительную повторяемость процесса. Преимущество этой технологии также лежит в её зрелости, подтверждением чему являются системы с объёмом печати более 1 м² и несколькими десятками лазеров.

Отрасли промышленности

Как уже говорилось ранее, 3D-печать лучше всего подходит для относительно небольших серий. Но возможность снижения веса детали за счёт использования оптимального количества металла делает этот процесс идеальным для применений, требующих высокой точности и малого веса, таких как аэрокосмическое, авиационное и медицинское оборудование. Сельскохозяйственная техника — ещё одна важная область, где эта технология может быть использована для изготовления прототипов деталей, оснастки и запасных частей, а также специализированных деталей для малосерийного производства.

В следующей публикации мы рассмотрим некоторые примеры использования различных технологий 3D-печати в производстве гидравлических компонентов.

Часть 1.

Часть 3.