金属增材(俗称3D打印)制造在阀门产业的应用之路

2023-12-5 21:30| 发布者: 永一阀门| 查看: 57| 评论: 0

增材制造(Additive Manufacturing, AM, 俗称“3D 打印”)是具有颠覆性的先进制造技术,它以三维数字模型为基础,将材料通过分层制造、逐层叠加的方式制造出实体零件,正在推动阀门和相关部件的生产方式发生变化。本期《阀门》就来揭开增材制造在阀门领域应用的神秘面纱。
增材制造被称为制造业稳步持续迈入 21 世纪的关键参与者,同时也是最有希望的颠覆者。尤其是金属增材制造将对制造业的未来产生巨大影响。Technavio的一份报告预计,到 2025 年,金属增材制造材料市场将几乎翻两番,未来三年将增加 71.9 亿美元。

关于这项技术到底是什么,人们存在很多误解。过去20年的发展已经证明了金属增材制造是一项革命性的工业技术。这种从数字模型中逐层构建几何形状的方法(而不是通过机械加工等减法方法)正在推动阀门和相关部件的生产方式发生变化。3D 打印主要以快速成型制造为中心,已成为为一系列传统工艺制造工具的一种成熟手段。制造商也越来越多地部分甚至全部采用增材制造进行生产。虽然金属增材制造主要用于航空航天、能源、国防和医疗行业,但它在石油和天然气以及其他使用阀门的应用中越来越受欢迎。

相较于传统精密加工,金属增材制造具有多种优势:
1)产品研发及实现周期短。增材制造技术无需模具支撑,一般仅需要简单装配即可投入使用,相较于传统工艺开发产品的流程大大缩短。
2)可高效成形更为复杂的结构。3D打印的原理是将复杂的三维几何体剖分为二维的截面形状来叠层制造,故可以实现传统精密加工较难实现的复杂构件成形,提高零件成品率,同时提高产品质量。对于增材制造来讲,结构复杂程度的增加基本很少增加成本,而传统制造方式的成本会随着结构复杂度的提高而增加。
3)实现一体化、轻量化设计。金属增材制造可以优化复杂零部件的结构,在保证性能的前提下,将复杂结构经变换重新设计成简单结构,从而起到减轻重量的效果,增材制造也可实现构件一体化成形,从而提升产品的可靠性。
4)材料利用率高。金属增材制造可节约大量材料,特别是对于较昂贵的金属材料,可较大节约成本。
5)实现优良的力学性能。基于3D打印快速凝固的工艺特点,成形后的制件内部冶金质量均匀致密,无其他冶金缺陷;同时快速凝固的特点,使得材料内部组织为细小亚结构,成形零件可在不损失塑性的情况下 使强度得到较大提高。

当然,增材制造还有一些尚未克服的缺点:生产成本较高、尺寸限制、缺乏测试程序等等。

国际增材制造行业龙头市场份额较大,新兴企业发展迅速。行业发展早期,以 EOS、SLM Solution、3D Systems、Stratasys 为代表的龙头企业拥有技术和专利优势,抢占了大量市场份额。近年来随着一批技术专利陆续到期,一批新兴企业快速涌现,挤占龙头份额。

作为 3D 打印起步较晚的中国,也不乏一些优秀企业,例如中航迈特、有研粉材、江苏威拉里、大族激光、华曙高科等。近几年,国内抓紧自主创新和研发,虽然和国外的技术还有一定差距,但也一步步朝着精细化和专业发展。当然,国内巨大的市场潜能,也吸引了不少国外3D打印行业巨头的目光和投资,进一步推动了中国 3D 打印产业的发展。

相关技术标准

根据ISO/ASTM标准,增材技术有七种不同类型。然而,就冶金目的而言,有三种最常用的方法:

▶ 粉床熔合 (PBF) — 使用能量源(通常是激光或电子束)将粉末金属熔合在一起。这是最古老的工艺之一,材料特性众所周知且可重复。
▶ 粘合剂喷射 (BJT)——将粘合剂沉积在粉末金属或沙子上,形成几何形状。就金属增材制造而言,粘合后通常会进行烧结以熔化粉末。
▶ 定向能量沉积(DED)——金属粉末或金属丝被送入由激光或电子束形成的熔池中,其过程类似于焊接。

依托于这些技术,很多全球知名阀企已经处于不同发展阶段,要么处于金属 3D 打印阀门的现场测试阶段(比如 Neles),要么已经进行成熟的生产并向客户销售增材制造组件(比如艾默生)。

ASME PTB-13-2021 是一份关于金属增材制造技术的标准,该标准于2021年5月发布,由ASME压力技术规范和标准委员会 (BPTCS)/核规范和标准委员会 (BNCS) 增材制造使用特别委员会所制定。

在石油和天然气行业,美国石油学会 (API) 于 2021年10 月发布了新的 API 标准20S,即《石油和天然气工业用增材制造金属部件》,以帮助推动采用增材制造来优化天然石油和天然气的部件设计。这一标准扩展了API的一流安全性和效率要求,并支持尖端操作,帮助生产商部署新的3D打印技术,以满足全球对天然气和石油产品不断增长的需求。

API 标准第一版引入了三个增材制造规范级别 (AMSL),定义了技术、质量和资格要求,以帮助确保金属部件适用。对于该标准,在前面提到的金属增材制造技术中,它适用于PBF、BJT和DED这三种技术。

对于刚接触增材制造的新手来说,一个重要的基础标准是 ISO/ASTM 52900:增材制造通用原则术语,它澄清了统一的术语并详细介绍了该过程的许多变体。鉴于增材制造快速变化的形势,ASTM在2018年创建了增材制造卓越中心 (CoE)。虽然不是专门针对阀门行业或油气行业,但增材制造CoE汇集了行业、政府和学术界,以优化增材制造的研发和标准制定流程。与API的目标类似,ASTM希望缩短增材制造的上市时间并扩大该技术的采用率。

金属增材制造对阀门制造的影响

通过金属增材制造快速生产原型的能力使阀企能够扩大创新视野,并为减轻噪音、减少气蚀等情况找到更好的解决方案。

1)金属增材制造泵阀模型的出现,为泵阀研发带来了重要的技术突破。增材制造技术则可以直接将设计图纸转化为实体模型,大大提高了泵阀的定制化和个性化设计能力。通过3D打印技术可以快速制造出泵阀模型,减少了制造周期,降低了成本,并且可以方便地对模型进行修改和调整。这种定制化模型不仅可以满足不同客户的需求,还可以快速验证产品设计的可行性,提高产品的研发效率。

2)金属增材制造技术的应用优化了泵阀结构,进一步提升了泵阀的性能。金属3D打印技术可以直接在原材料上进行打印,无需通过加工和组装,避免了材料浪费和结构弱化的问题。通过金属增材制造技术,可以将泵阀内部结构优化为更加复杂和精细的形式,提高了泵阀的效率和性能。同时还可以实现小批量生产,有效降低了测试成本和研发周期,节省了研发成本。

3)通过精密铸造树脂熔模技术和拓扑优化等工艺,也为泵阀制造提供了更多的创新可能性。传统的泵阀制造普遍是通过铸造或者机加工的形式完成,制作工艺繁琐,导致了优化方案受限。而现在金属增材制造技术,可以将泵阀设计为更加复杂的形状和结构,实现更高效、更节能的工作方式。

举个应用案例。一直以来,电磁气动阀的壳体零件最为复杂,需集成四路电磁阀组件和一路导阀组件。为改进加工过程、缩短生成周期、提高交付合格率与质量稳定性,中国航天科技集团有限公司六院801所的研制队伍将3D打印技术应用于阀门零部件生产,并成功实现了该所3D打印技术在阀门类产品中的首次应用。

阀企如何布局

当然,对于一些生产传统阀门产品的企业来说,金属增材制造可能并不是一项必备的技术,毕竟其生产流程和制造工艺相对成熟,且产品种类和规格相对较少,对于复杂结构的需求并不高。

但是,对于一些生产高端、定制化、复杂结构阀门的企业来说,金属增材制造则具有很大的吸引力。因为这些企业需要生产具有特殊结构、复杂形状和高精度要求的阀门,而传统制造方法难以满足这些需求。通过金属增材制造技术,企业可以快速原型制造、降低生产成本、提高产品质量和满足个性化需求。

此外,随着市场竞争的加剧和客户对产品性能要求的提高,越来越多的阀门企业开始注重产品的研发和创新。金属增材制造技术可以为阀门产品的设计和材料选择等方面提供新的途径和手段,促进企业的研发创新和产品升级。

总之,尽管仍有挑战需要克服,但随着材料和工艺的不断升级,更多行业的尝试创新,金属增材制造将会获得更多行业的信任和认可,在未来发挥更为重要的作用。

 
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