3D-печать снижает вес гидрокомпонентов и делает возможной любую форму

Аддитивные технологии позволяют существенно снизить массу гидравлических блоков и создать внутренние каналы почти любой формы, однако пока обходятся недешево.  Одним из пионеров нового направления гидравлики стала итальянская компания AIDRO, продемонстрировавшая свои новейшие достижения на выставке  Agritechnica. О них читайте статью «3D-печать гидрокомпонентов из металла».  Основные проблемы, возникающие при внедрении аддитивных технологий, журнал «Конструктор. Машиностроитель» обсудил с президентом компании AIDRO Валерией Тирелли.

КМ: Синьора Тирелли, в статье говорится о существовании разнообразных материалов для аддитивных технологий, однако в примерах изготовленных деталей фигурирует только нержавеющую сталь. Полагаем, эта сталь в сравнении с углеродистой, используемой в традиционной технологии производства гидроблоков, имеет более высокую стоимость и  хýдшую обрабатываемость. Как обеспечить высокую поверхностная твердость (до HRС 60) при изготовлении золотников?

Для гидравлических блоков, напечатанных на 3D-принтере, AIDRO в основном применяет алюминиевые сплавы (Alsi10Mg) и нержавеющую сталь (AISI316L). Для производства золотников требуется более высокая прочность, поэтому мы использовали порошок из мартенситно-стареющей стали, характеризующийся отличными механическими свойствами, а также возможностью термической обработки для получения высокой твердости и прочности.

3D-модели золотников

Компонент из мартенситно-стареющей стали проходит постобработку, которая обеспечивает получение твердости до HRC 50. Продукция из данной стали, произведенная на 3D-принтере, если необходимо, может также подвергаться процессу шлифовки или полировки. Сырьем для аддитивной технологии является металлический порошок, полученный в процессе атомизации. Это достаточно сложный процесс распыления расплавленного металла быстро перемещающимся потоком инертного газа, который необходимо всегда держать под контролем. Порошок имеет преимущественно сферическую форму.

Стоимость металлических порошков значительно выше, чем обычного материала, но при аддитивном производстве используется меньше материала, так как порошок добавляется только там, где это необходимо. В итоге цена сырья незначительно влияет на стоимость готового продукта. Наибольшие затраты для производство компонента на 3D-принтере сегодня приходятся на почасовую стоимостью 3D-печатных машин, так как это новая технология, и затраты на машины по-прежнему очень высоки. Можем только надеяться, что в ближайшие несколько лет они снизятся.

3D-модели: гидравлического блока двойного действия (слева) и теплообменника

КМ: В гидравлике достаточно остро стоят проблемы прочности и плотности (в смысле отсутствия пор);  в силовых гидроприводах давление уже значительно превышает 250 бар, причем требуется полная герметичность. Планируете ли вы проведение ресурсных испытаний 3D-изделий?

AIDRO проводит испытания механических свойств гидравлических компонентов, созданных на 3D-принтере в сотрудничестве с отделом механики Миланского политехнического института. Эти анализы подтвердили, что пористость незначительна (порядка нескольких микрон), и все остальные механические свойства материалов превосходны.

Фактически, процесс прямого лазерного спекания металлов (DMLS) нагревает металлический порошок до такой степени, что частицы плавятся вместе на молекулярном уровне. Пористость материала контролируема, и можно утверждать, что плотность составляет 99,9%.

Что касается внутренних давлений блока, то с точным дизайном и с хорошими методами проектирования, мы можем напечатать на 3D-принтере гидравлический блок, который без проблем справиться с пиками давления в системе. Можем увеличить толщину стенки и изменить формы каналов, благодаря анализу FEM, который указывает на потенциальные сбои. AIDRO использует метод конечных элементов (FEM), чтобы предсказать, как продукт будет реагировать на реальные силы и показать, будет ли он работать так, как он был разработан.

Корпус гидроблока: выполненный традиционным методом (слева) и с помощью 3D-печати

КМ: Одним из недостатков аддитивных технологий является необходимость механической доводки сопряженных поверхностей и обработки резьб. Каковы перспективы решения этих проблем?

Поверхность 3D-блока очень хорошая, но для более точного соединения некоторые части блока должны пройти постобработку. Например, у нас есть специализированная машина термической резки с ЧПУ для отделки резьбы клапанов и картриджей. На сегодняшний день мы не можем полностью произвести конечный гидравлический продукт, используя только 3D-печать. Эта технология развивается день за днем, и возможно, в будущем производитель принтеров улучшит качество отделки поверхности.

КМ: Поскольку аддитивные технологии связаны с использованием порошков, как производится тщательная очистка внутренних каналов гидроаппаратов?

У всех наших блоков есть вход и выход, поэтому у нас нет проблем с порошком, заблокированным внутри 3D-предмета.

Гидравлический 3D-блок требует стандартной очистки, промывки и того же процесса после сборки, как и традиционный блок. Мы тестируем 3D-блок на наших испытательных стендах, чтобы убедиться, что каналы пустые от возможных остаточных порошков.

3D-модели гидравлических блоков

КМ: Как решаются экономические проблемы внедрения АТ в условиях достаточно высокой стоимости 3D-принтеров и рекомендуемым изготовлением на них малых серий деталей? При этом загрузка и окупаемость этого оборудования могут оказаться недостаточными для обычных машиностроительных предприятий, а, следовательно, эта технология будет рентабельной лишь в ограниченном круге фирм, специализирующихся на изготовлении гидроблоков по спецзаказам…

Это так, сегодняшние затраты на аддитивные технологии в основном обусловлены стоимостью принтера. Данные 3D-принтеры имеют два ограничения: размер рабочей платформы и низкая производительность. Производители 3D-принтеров, такие как EOS, SLM, Renishaw, сегодня работают над повышением производительности своих машин и созданием новых машин для высокой производительности. В будущем аддитивные технологии будут интегрированы.

КМ: Как обстоит дело с разработкой принципиально новых САПР для аддитивных технологий?

Для проектирования гидравлических компонентов мы используем программное обеспечение, типичное для механического сектора, потому что наши глубокие технические знания в секторе гидравлики помогают и при выполнении анализа FEM.

Для начала утверждается первый чертеж и затем используется программное обеспечение для топологической оптимизации и аддитивных технологий. Также для создания 3D-опор используется специальное программное обеспечение, но по-прежнему остается еще много ручной и интеллектуальной работы. Компании, производящие программное обеспечение, работают над улучшением программ для аддитивных технологий, и в будущем мы увидим новые программные системы. Но уверена, для получения творческих и функциональных 3D-моделей всегда будут необходимы знания человека.