Uso de impresión 3D de metal para producir mejores componentes hidráulicos

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Las bombas hidráulicas, los cilindros y otros actuadores proporcionan más potencia en un paquete más pequeño que los motores, los motores eléctricos y los actuadores mecánicos. Desde una operación manual simple hasta controles electrónicos complejos, las válvulas hidráulicas pueden controlar fácilmente la dirección, la velocidad, el par y la fuerza.

Sin embargo, los métodos de producción utilizados para fabricar estos componentes hidráulicos no han seguido el ritmo de su creciente gama de aplicaciones. Ingrese al reino de la impresión 3D de metal: abre nuevas oportunidades para aprovechar la alta densidad de potencia de la hidráulica al mejorar el diseño y la producción de componentes como colectores, bloques de válvulas y carretes.

La impresión 3D, que comenzó con la creación rápida de prototipos, ha ido más allá de los materiales plásticos originales para abarcar muchas aleaciones metálicas. Aunque no es práctica ni rentable para la producción de gran volumen, la impresión 3D ofrece muchas ventajas cuando se producen lotes pequeños y componentes hidráulicos de metal especialmente diseñados.

Sin las restricciones del mecanizado tradicional, las piezas están diseñadas para lograr la combinación más eficiente de producción y rendimiento. Los canales internos se pueden optimizar para un flujo más alto y una caída de presión más baja. También se pueden producir múltiples prototipos diferentes en cuestión de horas para determinar el mejor diseño. Además, los componentes se pueden hacer de una variedad de materiales, incluido el acero inoxidable (de IA 304 a AISI 316L ), aluminio, titanio y nuevos materiales aún en desarrollo. Se eliminan las posibles fuentes de fugas para la perforación auxiliar y el posterior taponamiento.

Si bien los componentes hidráulicos se pueden producir a través de la fabricación tradicional o la impresión 3D, la fabricación tradicional es un proceso sustractivo, que comienza con un material más grande, generalmente una fundición o barra de metal. El material generalmente se elimina mediante mecanizado CNC para dejar la forma deseada. El exceso de material a menudo se deja en su lugar para ahorrar el gasto de quitarlo, lo que da como resultado piezas que pesan más de lo necesario.

El mecanizado también está limitado en su capacidad para producir muchas de las configuraciones deseadas. Los canales en los colectores convencionales generalmente deben colocarse para evitar que los canales perforados se crucen y para permitir suficiente material entre los canales para proporcionar la resistencia adecuada. Es posible que sea necesario tapar los orificios auxiliares perforados para conectar los pasajes internos, lo que podría provocar fugas en el futuro.

Por el contrario, la impresión 3D es una forma de fabricación aditiva que construye la pieza deseada capa por capa. Con la impresión 3D, los corredores se pueden colocar exactamente donde se necesitan y en el tamaño y la forma óptimos. Hasta ahora, los rodetes, especialmente en componentes como los núcleos de las válvulas, a menudo eran redondos porque se mecanizaban con herramientas rotativas. Al construir componentes en capas, los diseñadores pueden especificar configuraciones que son difíciles o imposibles usando métodos de fabricación tradicionales.

Por ejemplo, las rutas de flujo se pueden hacer con secciones transversales cuadradas en lugar de circulares, aumentando el flujo en un 20 % para el mismo ancho de canal. Los diseños de canales se pueden optimizar para lograr un mayor flujo en un espacio más pequeño. Los pasajes que conectan los pasajes internos no tienen que maquinarse desde el exterior del manifold y no requieren tapones para orificios.

El proceso utiliza un láser controlado por computadora para derretir cada capa de metal a medida que se deposita para construir la pieza. Según Alberto Tacconelli, Corporación Adro , Techno, Italia, Actualmente, el tipo de impresión 3D de metal más adecuado para componentes hidráulicos es la fusión de lecho de polvo, a través de la sinterización directa de metal por láser (DMLS) o la fusión selectiva por láser (SLM).

DMLS calienta el polvo metálico hasta el punto en que las partículas se fusionan a nivel molecular. La porosidad del material sinterizado es controlable. DMLS se puede utilizar con una variedad de aleaciones, lo que permite fabricar prototipos funcionales con los mismos materiales que los componentes de producción. Con SLM, los polvos metálicos no solo se fusionan, sino que se funden en partes uniformes mediante una alta densidad de potencia. láser . Debido a la porosidad reducida, las piezas fabricadas con SLM pueden ser más fuertes y tener un mejor control sobre la estructura cristalina. Sin embargo, se dice que el proceso es factible solo cuando se usa un solo polvo metálico.

¿Cuándo es adecuada la impresión 3D en metal?

Tacconelli citó lo siguiente al decidir si utilizar la impresión 3D para producir piezas:

cantidad – La fabricación tradicional es más adecuada para la producción en masa, mientras que la impresión 3D puede ser más económica y práctica para lotes pequeños de componentes hidráulicos complejos o especializados.

Plazo de ejecución de producción — Los procesos sustractivos, como el mecanizado CNC, pueden requerir plazos de entrega de 30 a 60 días para producir piezas a partir de barras de metal, o de 6 a 12 meses si se requieren fundiciones. Para la impresión 3D, los componentes hidráulicos se pueden imprimir bajo demanda en cuestión de días. Si es necesario mecanizar la pieza impresa, los plazos de entrega pueden aumentar de una a dos semanas.

Prototipos – Con la impresión 3D, se pueden producir muchas variantes diferentes de un prototipo simultáneamente, lo que permite evaluar las alternativas de diseño.

selección de materiales– Los componentes hidráulicos deben tener suficiente fuerza y ​​resistencia a la corrosión para manejar con seguridad las altas presiones que se encuentran comúnmente en los sistemas hidráulicos. La impresión 3D puede proporcionar una selección más amplia de materiales, incluidos acero inoxidable (AISI316L), aluminio, titanio (Ti6Al4V), Inconel (625 o 718) y acero martensítico.

¿Cómo son las propiedades de los materiales?

Dado que la impresión 3D de metal es relativamente nueva en el campo de la hidráulica, surge la pregunta de cómo se comparan las propiedades del material de las piezas impresas en 3D con las fabricadas mediante procesos tradicionales. Aunque las propiedades mecánicas típicas como la resistencia a la tracción, el límite elástico y el módulo elástico parecen ser comparables, dependiendo de la selección del material, las altas presiones que se encuentran a menudo en los sistemas hidráulicos merecen una consideración adicional.

Con la selección y el diseño adecuados de los materiales, los componentes pueden soportar estas tensiones, pero también pueden experimentar golpes y pulsaciones de presión que son más difíciles de acomodar. Por ejemplo, los colectores suelen estar hechos de hierro dúctil u otros materiales dúctiles para manejar estas pulsaciones, pero estos materiales no son adecuados para los procesos de fabricación aditiva. Los materiales de hierro y acero al carbono también entran en esta categoría, ya que las materias primas deben estar presentes en forma de polvo.

Si bien no todos los metales se pueden imprimir en 3D, Aidro generalmente usa aluminio y acero inoxidable para imprimir colectores hidráulicos en 3D, dijo Tacconelli. Señala que las propiedades mecánicas de estos materiales son iguales (o en algunos casos mejores) que los metales producidos a partir de barras. El resultado, añadió, es tanto resultado del diseño como del material.

La empresa utiliza métodos de elementos finitos (FEM) para predecir cómo responderá un producto a las fuerzas del mundo real y mostrar si funcionará según lo diseñado. Tacconelli explicó: “Con un buen enfoque de diseño, podemos imprimir en 3D un colector hidráulico que pueda soportar picos de presión en el sistema sin problemas. Podemos aumentar el grosor de la pared y cambiar la forma del canal donde el análisis FEM indica una falla potencial. «Después de imprimir el colector, la empresa lo prueba internamente y realiza más pruebas con el apoyo de Politécnico de Milán .

El proceso de impresión 3D de metal específico y la selección del equipo también pueden afectar los resultados.»Después de una cuidadosa evaluación, elegimos el proceso de sinterización láser de metal directo, que garantiza una mayor precisión y produce un acabado superficial más suave en el caso de los productos hidráulicos», dice Tacconelli, y agrega que los parámetros de máquina certificados y el polvo de metal de alta calidad garantizan la reproducibilidad del producto y el producto. artesanía y calidad.

Una combinación de factores afecta el rendimiento de la pieza terminada y se utiliza para controlar el resultado final. Tim Simpson es profesor de ingeniería mecánica e industrial. Universidad Estatal de Pensilvania y codirector Centro de Mecanizado de Materiales Innovadores por Deposición Digital Directa . Dijo que cada objeto se calentará y enfriará de manera diferente, dependiendo de qué tan rápido y enérgico interactúe con el polvo de metal. Esta «historia térmica» afectará la microestructura del objeto, lo que a su vez afectará sus propiedades materiales, como la resistencia, la rigidez y la elasticidad.

Simpson, quien también es el presidente de ASME de 2015 Conferencia y exposición sobre fabricación aditiva e impresión 3D , señala que la mayoría de los objetos de metal impresos en 3D requieren un tratamiento térmico posterior al procesamiento, ya que el calentamiento y enfriamiento repetidos causados ​​por el láser crean estrés.»Con los procesos sustractivos tradicionales, comienzas con un material conocido y luego creas la forma», explicó. Pero en este caso, debe imprimir la pieza en 3D para crear la forma, luego tratarla térmicamente o recocerla en solución para obtener el material que desea. «

También se está avanzando en la impresión 3D de algunas aleaciones que antes no eran adecuadas para la fabricación aditiva, incluidas las aleaciones de aluminio no soldables de alta resistencia, como Aluminio 7075 o Aluminio 6061 . Estas aleaciones a menudo sufren un agrietamiento térmico severo, que puede ocurrir durante la impresión 3D calentada por láser. Para resolver este problema, HRK Laboratories LLC ha desarrollado una tecnología que combina estos polvos metálicos con nanopartículas para evitar el agrietamiento térmico y producir piezas impresas con una aleación completa.

Como se mencionó anteriormente, la impresión 3D es mejor para volúmenes más pequeños. Pero su capacidad para reducir el peso de la pieza mediante el uso de la cantidad óptima de metal hace que el proceso sea ideal para aplicaciones que requieren alta precisión y peso ligero, como equipos aeroespaciales, de aviación y médicos. La maquinaria agrícola es otra área importante en la que la tecnología se puede utilizar para prototipos, herramientas y piezas de repuesto, así como piezas especializadas de producción de bajo volumen. En general, las piezas 3D también son más adecuadas para piezas que deben ser más compactas que las técnicas de fabricación tradicionales.

aplicación tipica

Muchos tipos de componentes hidráulicos ya se están produciendo mediante la impresión 3D de metales. Por ejemplo, Aidro imprimió un bloque de válvulas hidráulicas en acero inoxidable para controlar un cilindro de simple efecto (Figura 1). En comparación con los componentes tradicionales, la empresa pudo ahorrar espacio y optimizar sus pasajes internos para caudales más altos y pérdidas de presión más bajas. Dado que no se requiere perforación auxiliar, también se elimina la posibilidad de fugas externas.

1. La impresión 3D de este bloque de válvulas hidráulicas en acero inoxidable reduce su tamaño y mejora el flujo.(Cortesía de Aidro SrL)

Además, el diseño y la producción de válvulas hidráulicas apilables se han mejorado mediante la impresión 3D (Figura 2). Las válvulas reductoras de presión de acción directa están hechas de acero y galvanizadas para evitar la corrosión. Cuando el cliente de Aidro requirió una pequeña cantidad de válvulas, el tiempo de entrega y el costo del mecanizado CNC fueron inaceptables. En cambio, la válvula fue rediseñada para impresión 3D en acero inoxidable, reduciendo el peso en un 60 %. Sus paredes estructurales son tan resistentes como las originales y el nuevo diseño se probó a 250 bar con resultados comparables.

2. La válvula hidráulica de la izquierda está mecanizada en acero y luego galvanizada para evitar la corrosión. La válvula rediseñada (derecha) está hecha de acero inoxidable impreso en 3D. La versión impresa en 3D es un 60 % más ligera, pero conserva la misma resistencia que la pieza mecanizada. Las piezas tradicionales se pueden hacer más livianas mecanizando (menos) el material no deseado, pero son mucho más costosas de producir.(Cortesía de Aidro SrL)

Por muchos años, Dinámica de fluidos de cúpula La empresa con sede en Bristol, Reino Unido, ha estado desarrollando válvulas hidráulicas, bombas y subsistemas más complejos diseñados específicamente para la producción de metal AM. La compañía lanzará una servoválvula hidráulica de transmisión directa con electrónica integrada (Figura 3) como su producto principal en la primera mitad de este año.

3. Se espera que se lance a finales de este año, esta servoválvula de transmisión directa con electrónica integrada promete ventajas significativas sobre los diseños actuales a un precio competitivo.(Cortesía de Domin Fluid Power Ltd.)

Marcus Pont, gerente general de Domin, dijo que las nuevas servoválvulas han mejorado las clasificaciones de flujo en tamaño, eficiencia y peso en comparación con los diseños actuales, al tiempo que mantienen un precio competitivo al simplificar la fabricación. Estas mejoras de rendimiento se basan en comparaciones con las servoválvulas actuales de última generación.

Según Pont, la servoválvula Domin tiene un tamaño un 25 % más grande para el caudal nominal y un 20 % menos con fugas que un competidor importante. También reduce el volumen en un 25 % y el peso en un 15 %, y contiene un 40 % menos de piezas, lo que simplifica el proceso de fabricación.

4. Este colector impreso en 3D para maquinaria agrícola tiene la mitad del tamaño de las piezas fabricadas tradicionalmente y un 75 % más ligero.(Cortesía de Aidro SrL)

Otro ejemplo de Aidro es un colector hidráulico para maquinaria agrícola (Figura 4). Este colector controla cilindros de doble acción con dos válvulas de solenoide y dos válvulas de retención operadas por piloto. El colector impreso en 3D realiza exactamente la misma función que la unidad que reemplaza, pero es la mitad del tamaño y un 75 % más liviano que el colector anterior. Esta sección incluye AlSi10Mg , una aleación de aluminio de la serie 6000 que combina una buena resistencia y propiedades térmicas con un peso ligero y un potencial de posprocesamiento flexible. Por lo general, se utiliza para piezas de geometría compleja y paredes delgadas.

Tacconelli de Aidro informa que las pruebas de tensión han demostrado que las propiedades mecánicas, como la resistencia a la tracción, el alargamiento, la resistencia al impacto y la dureza, son tan buenas o mejores que las de los colectores fabricados con materiales convencionales. Dado que la forma curva del canal interno no es de 90 grados, el rendimiento de manejo puede igualar o superar las piezas convencionales. El ángulo de la intersección.

5. Este colector hidráulico está impreso en 3D en una sola pieza y pesa un 70 % menos que el conjunto de 17 piezas al que reemplaza, pero ha resistido las mismas pruebas de tensión y fatiga.(Cortesía de Penn State CIMP-3D)

En CIMP-3D en Penn State, el colector hidráulico se imprime en 3D como una sola pieza (Figura 5). Pesa un 70 por ciento menos que el conjunto de 17 piezas al que reemplaza, pero soportó las mismas pruebas de tensión y fatiga.

Aidro rediseñó un carrete, lo imprimió en 3D con un nuevo patrón de agujeros, reemplazando el agujero redondo por un agujero cuadrado (Figura 6). Esto aumenta el área de la galería de aceite dentro del carrete y reduce la caída de presión.

6. El carrete original (izquierda) tiene un orificio redondo, que requiere mecanizado CNC. Los carretes rediseñados para la impresión 3D tienen orificios cuadrados de área más grande para reducir la caída de presión.(Cortesía de Aidro SrL)

Estas son solo algunas de las formas en que la impresión 3D en metal está ampliando el potencial para mejorar el diseño y la producción de componentes en el sector hidráulico.de acuerdo a Un informe de Infinium Global Research , se espera que el mercado mundial de impresión 3D de metal crezca a una tasa compuesta anual del 33 % entre 2017 y 2023. Se espera que las aplicaciones hidráulicas sean una parte importante de este campo en expansión.

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