金屬增材制造在閥門產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用之路

來(lái)源：閥門期刊

增材制造（Additive Manufacturing, AM, 俗稱“3D 打印”）是具有顛覆性的先進(jìn)制造技術(shù)，它以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料通過(guò)分層制造、逐層疊加的方式制造出實(shí)體零件，正在推動(dòng)閥門和相關(guān)部件的生產(chǎn)方式發(fā)生變化。本期《閥門》就來(lái)揭開(kāi)增材制造在閥門領(lǐng)域應(yīng)用的神秘面紗。

增材制造被稱為制造業(yè)穩(wěn)步持續(xù)邁入 21 世紀(jì)的關(guān)鍵參與者，同時(shí)也是最有希望的顛覆者。尤其是金屬增材制造將對(duì)制造業(yè)的未來(lái)產(chǎn)生巨大影響。

關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)到底是什么，人們存在很多誤解。過(guò)去20年的發(fā)展已經(jīng)證明了金屬增材制造是一項(xiàng)革命性的工業(yè)技術(shù)。這種從數(shù)字模型中逐層構(gòu)建幾何形狀的方法（而不是通過(guò)機(jī)械加工等減法方法）正在推動(dòng)閥門和相關(guān)部件的生產(chǎn)方式發(fā)生變化。3D 打印主要以快速成型制造為中心，已成為為一系列傳統(tǒng)工藝制造工具的一種成熟手段。制造商也越來(lái)越多地部分甚至全部采用增材制造進(jìn)行生產(chǎn)。雖然金屬增材制造主要用于航空航天、能源、國(guó)防和醫(yī)療行業(yè)，但它在石油和天然氣以及其他使用閥門的應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。

相較于傳統(tǒng)精密加工，金屬增材制造具有多種優(yōu)勢(shì)：
1）產(chǎn)品研發(fā)及實(shí)現(xiàn)周期短。增材制造技術(shù)無(wú)需模具支撐，一般僅需要簡(jiǎn)單裝配即可投入使用，相較于傳統(tǒng)工藝開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的流程大大縮短。
2）可高效成形更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。3D打印的原理是將復(fù)雜的三維幾何體剖分為二維的截面形狀來(lái)疊層制造，故可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)精密加工較難實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜構(gòu)件成形，提高零件成品率，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于增材制造來(lái)講，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加基本很少增加成本，而傳統(tǒng)制造方式的成本會(huì)隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的提高而增加。
3）實(shí)現(xiàn)一體化、輕量化設(shè)計(jì)。金屬增材制造可以優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)經(jīng)變換重新設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果，增材制造也可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件一體化成形，從而提升產(chǎn)品的可靠性。
4）材料利用率高。金屬增材制造可節(jié)約大量材料，特別是對(duì)于較昂貴的金屬材料，可較大節(jié)約成本。
5）實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的力學(xué)性能。基于3D打印快速凝固的工藝特點(diǎn)，成形后的制件內(nèi)部冶金質(zhì)量均勻致密，無(wú)其他冶金缺陷；同時(shí)快速凝固的特點(diǎn)，使得材料內(nèi)部組織為細(xì)小亞結(jié)構(gòu)，成形零件可在不損失塑性的情況下 使強(qiáng)度得到較大提高。

當(dāng)然，增材制造還有一些尚未克服的缺點(diǎn)：生產(chǎn)成本較高、尺寸限制、缺乏測(cè)試程序等等。

國(guó)際增材制造行業(yè)龍頭市場(chǎng)份額較大，新興企業(yè)發(fā)展迅速。行業(yè)發(fā)展早期，以 EOS、SLM Solution、3D Systems、Stratasys 為代表的龍頭企業(yè)擁有技術(shù)和專利優(yōu)勢(shì)，搶占了大量市場(chǎng)份額。近年來(lái)隨著一批技術(shù)專利陸續(xù)到期，一批新興企業(yè)快速涌現(xiàn)，擠占龍頭份額。

作為 3D 打印起步較晚的中國(guó)，也不乏一些優(yōu)秀企業(yè)，例如中航邁特、有研粉材、江蘇威拉里、大族激光、華曙高科等。近幾年，國(guó)內(nèi)抓緊自主創(chuàng)新和研發(fā)，雖然和國(guó)外的技術(shù)還有一定差距，但也一步步朝著精細(xì)化和專業(yè)發(fā)展。當(dāng)然，國(guó)內(nèi)巨大的市場(chǎng)潛能，也吸引了不少國(guó)外3D打印行業(yè)巨頭的目光和投資，進(jìn)一步推動(dòng)了中國(guó) 3D 打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)ISO/ASTM標(biāo)準(zhǔn)，增材技術(shù)有七種不同類型。然而，就冶金目的而言，有三種最常用的方法：

▶ 粉床熔合 (PBF) — 使用能量源（通常是激光或電子束）將粉末金屬熔合在一起。這是最古老的工藝之一，材料特性眾所周知且可重復(fù)。
▶ 粘合劑噴射 (BJT)——將粘合劑沉積在粉末金屬或沙子上，形成幾何形狀。就金屬增材制造而言，粘合后通常會(huì)進(jìn)行燒結(jié)以熔化粉末。
▶ 定向能量沉積（DED）——金屬粉末或金屬絲被送入由激光或電子束形成的熔池中，其過(guò)程類似于焊接。

依托于這些技術(shù)，很多全球知名閥企已經(jīng)處于不同發(fā)展階段，要么處于金屬 3D 打印閥門的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試階段（比如 Neles），要么已經(jīng)進(jìn)行成熟的生產(chǎn)并向客戶銷售增材制造組件（比如艾默生）。

ASME PTB-13-2021 是一份關(guān)于金屬增材制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)于2021年5月發(fā)布，由ASME壓力技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì) (BPTCS)/核規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì) (BNCS) 增材制造使用特別委員會(huì)所制定。

在石油和天然氣行業(yè)，美國(guó)石油學(xué)會(huì) (API) 于 2021年10 月發(fā)布了新的 API 標(biāo)準(zhǔn)20S，即《石油和天然氣工業(yè)用增材制造金屬部件》，以幫助推動(dòng)采用增材制造來(lái)優(yōu)化天然石油和天然氣的部件設(shè)計(jì)。這一標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了API的一流安全性和效率要求，并支持尖端操作，幫助生產(chǎn)商部署新的3D打印技術(shù)，以滿足全球?qū)μ烊粴夂褪�油產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的需求。

API 標(biāo)準(zhǔn)第一版引入了三個(gè)增材制造規(guī)范級(jí)別 (AMSL)，定義了技術(shù)、質(zhì)量和資格要求，以幫助確保金屬部件適用。對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)，在前面提到的金屬增材制造技術(shù)中，它適用于PBF、BJT和DED這三種技術(shù)。

對(duì)于剛接觸增材制造的新手來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)是 ISO/ASTM 52900：增材制造通用原則術(shù)語(yǔ)，它澄清了統(tǒng)一的術(shù)語(yǔ)并詳細(xì)介紹了該過(guò)程的許多變體。鑒于增材制造快速變化的形勢(shì)，ASTM在2018年創(chuàng)建了增材制造卓越中心 (CoE)。雖然不是專門針對(duì)閥門行業(yè)或油氣行業(yè)，但增材制造CoE匯集了行業(yè)、政府和學(xué)術(shù)界，以優(yōu)化增材制造的研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定流程。與API的目標(biāo)類似，ASTM希望縮短增材制造的上市時(shí)間并擴(kuò)大該技術(shù)的采用率。

金屬增材制造對(duì)閥門制造的影響
通過(guò)金屬增材制造快速生產(chǎn)原型的能力使閥企能夠擴(kuò)大創(chuàng)新視野，并為減輕噪音、減少氣蝕等情況找到更好的解決方案。

1）金屬增材制造泵閥模型的出現(xiàn)，為泵閥研發(fā)帶來(lái)了重要的技術(shù)突破。增材制造技術(shù)則可以直接將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，大大提高了泵閥的定制化和個(gè)性化設(shè)計(jì)能力。通過(guò)3D打印技術(shù)可以快速制造出泵閥模型，減少了制造周期，降低了成本，并且可以方便地對(duì)模型進(jìn)行修改和調(diào)整。這種定制化模型不僅可以滿足不同客戶的需求，還可以快速驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性，提高產(chǎn)品的研發(fā)效率。

2）金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)化了泵閥結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了泵閥的性能。金屬3D打印技術(shù)可以直接在原材料上進(jìn)行打印，無(wú)需通過(guò)加工和組裝，避免了材料浪費(fèi)和結(jié)構(gòu)弱化的問(wèn)題。通過(guò)金屬增材制造技術(shù)，可以將泵閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化為更加復(fù)雜和精細(xì)的形式，提高了泵閥的效率和性能。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，有效降低了測(cè)試成本和研發(fā)周期，節(jié)省了研發(fā)成本。

3）通過(guò)精密鑄造樹(shù)脂熔模技術(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化等工藝，也為泵閥制造提供了更多的創(chuàng)新可能性。傳統(tǒng)的泵閥制造普遍是通過(guò)鑄造或者機(jī)加工的形式完成，制作工藝繁瑣，導(dǎo)致了優(yōu)化方案受限。而現(xiàn)在金屬增材制造技術(shù)，可以將泵閥設(shè)計(jì)為更加復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更高效、更節(jié)能的工作方式。

舉個(gè)應(yīng)用案例。一直以來(lái)，電磁氣動(dòng)閥的殼體零件最為復(fù)雜，需集成四路電磁閥組件和一路導(dǎo)閥組件。為改進(jìn)加工過(guò)程、縮短生成周期、提高交付合格率與質(zhì)量穩(wěn)定性，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司六院801所的研制隊(duì)伍將3D打印技術(shù)應(yīng)用于閥門零部件生產(chǎn)，并成功實(shí)現(xiàn)了該所3D打印技術(shù)在閥門類產(chǎn)品中的首次應(yīng)用。

閥企如何布局
當(dāng)然，對(duì)于一些生產(chǎn)傳統(tǒng)閥門產(chǎn)品的企業(yè)來(lái)說(shuō)，金屬增材制造可能并不是一項(xiàng)必備的技術(shù)，畢竟其生產(chǎn)流程和制造工藝相對(duì)成熟，且產(chǎn)品種類和規(guī)格相對(duì)較少，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需求并不高。

但是，對(duì)于一些生產(chǎn)高端、定制化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)閥門的企業(yè)來(lái)說(shuō)，金屬增材制造則具有很大的吸引力。因?yàn)檫@些企業(yè)需要生產(chǎn)具有特殊結(jié)構(gòu)、復(fù)雜形狀和高精度要求的閥門，而傳統(tǒng)制造方法難以滿足這些需求。通過(guò)金屬增材制造技術(shù)，企業(yè)可以快速原型制造、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和滿足個(gè)性化需求。

此外，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和客戶對(duì)產(chǎn)品性能要求的提高，越來(lái)越多的閥門企業(yè)開(kāi)始注重產(chǎn)品的研發(fā)和創(chuàng)新。金屬增材制造技術(shù)可以為閥門產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和材料選擇等方面提供新的途徑和手段，促進(jìn)企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級(jí)。

總之，盡管仍有挑戰(zhàn)需要克服，但隨著材料和工藝的不斷升級(jí)，更多行業(yè)的嘗試創(chuàng)新，金屬增材制造將會(huì)獲得更多行業(yè)的信任和認(rèn)可，在未來(lái)發(fā)揮更為重要的作用。