金屬增材制造在閥門產(chǎn)業(yè)的應用之路

來源：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制造技術，它以三維數(shù)字模型為基礎，將材料通過分層制造、逐層疊加的方式制造出實體零件，正在推動閥門和相關部件的生產(chǎn)方式發(fā)生變化。本期《閥門》就來揭開增材制造在閥門領域應用的神秘面紗。

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

關于這項技術到底是什么，人們存在很多誤解。過去20年的發(fā)展已經(jīng)證明了金屬增材制造是一項革命性的工業(yè)技術。這種從數(shù)字模型中逐層構建幾何形狀的方法（而不是通過機械加工等減法方法）正在推動閥門和相關部件的生產(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。制造商也越來越多地部分甚至全部采用增材制造進行生產(chǎn)。雖然金屬增材制造主要用于航空航天、能源、國防和醫(yī)療行業(yè)，但它在石油和天然氣以及其他使用閥門的應用中越來越受歡迎。

相較于傳統(tǒng)精密加工，金屬增材制造具有多種優(yōu)勢：
1）產(chǎn)品研發(fā)及實現(xiàn)周期短。增材制造技術無需模具支撐，一般僅需要簡單裝配即可投入使用，相較于傳統(tǒng)工藝開發(fā)產(chǎn)品的流程大大縮短。
2）可高效成形更為復雜的結構。3D打印的原理是將復雜的三維幾何體剖分為二維的截面形狀來疊層制造，故可以實現(xiàn)傳統(tǒng)精密加工較難實現(xiàn)的復雜構件成形，提高零件成品率，同時提高產(chǎn)品質量。對于增材制造來講，結構復雜程度的增加基本很少增加成本，而傳統(tǒng)制造方式的成本會隨著結構復雜度的提高而增加。
3）實現(xiàn)一體化、輕量化設計。金屬增材制造可以優(yōu)化復雜零部件的結構，在保證性能的前提下，將復雜結構經(jīng)變換重新設計成簡單結構，從而起到減輕重量的效果，增材制造也可實現(xiàn)構件一體化成形，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，特別是對于較昂貴的金屬材料，可較大節(jié)約成本。
5）實現(xiàn)優(yōu)良的力學性能�；�于3D打印快速凝固的工藝特點，成形后的制件內部冶金質量均勻致密，無其他冶金缺陷；同時快速凝固的特點，使得材料內部組織為細小亞結構，成形零件可在不損失塑性的情況下 使強度得到較大提高。

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

國際增材制造行業(yè)龍頭市場份額較大，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)擁有技術和專利優(yōu)勢，搶占了大量市場份額。近年來隨著一批技術專利陸續(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，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，國內抓緊自主創(chuàng)新和研發(fā)，雖然和國外的技術還有一定差距，但也一步步朝著精細化和專業(yè)發(fā)展。當然，國內巨大的市場潛能，也吸引了不少國外3D打印行業(yè)巨頭的目光和投資，進一步推動了中國 3D 打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

相關技術標準
根據(jù)ISO/ASTM標準，增材技術有七種不同類型。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。
▶ 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，粘合后通常會進行燒結以熔化粉末。
▶ 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，其過程類似于焊接。

依托于這些技術，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)場測試階段（比如 Neles），要么已經(jīng)進行成熟的生產(chǎn)并向客戶銷售增材制造組件（比如艾默生）。

ASME PTB-13-2021 是一份關于金屬增材制造技術的標準，該標準于2021年5月發(fā)布，由ASME壓力技術規(guī)范和標準委員會 (BPTCS)/核規(guī)范和標準委員會 (BNCS) 增材制造使用特別委員會所制定。

在石油和天然氣行業(yè)，美國石油學會 (API) 于 2021年10 月發(fā)布了新的 API 標準20S，即《石油和天然氣工業(yè)用增材制造金屬部件》，以幫助推動采用增材制造來優(yōu)化天然石油和天然氣的部件設計。這一標準擴展了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，以滿足全球對天然氣和石油產(chǎn)品不斷增長的需求。

API 標準第一版引入了三個增材制造規(guī)范級別 (AMSL)，定義了技術、質量和資格要求，以幫助確保金屬部件適用。對于該標準，在前面提到的金屬增材制造技術中，它適用于PBF、BJT和DED這三種技術。

對于剛接觸增材制造的新手來說，一個重要的基礎標準是 ISO/ASTM 52900：增材制造通用原則術語，它澄清了統(tǒng)一的術語并詳細介紹了該過程的許多變體。鑒于增材制造快速變化的形勢，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)、政府和學術界，以優(yōu)化增材制造的研發(fā)和標準制定流程。與API的目標類似，ASTM希望縮短增材制造的上市時間并擴大該技術的采用率。

金屬增材制造對閥門制造的影響
通過金屬增材制造快速生產(chǎn)原型的能力使閥企能夠擴大創(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)帶來了重要的技術突破。增材制造技術則可以直接將設計圖紙轉化為實體模型，大大提高了泵閥的定制化和個性化設計能力。通過3D打印技術可以快速制造出泵閥模型，減少了制造周期，降低了成本，并且可以方便地對模型進行修改和調整。這種定制化模型不僅可以滿足不同客戶的需求，還可以快速驗證產(chǎn)品設計的可行性，提高產(chǎn)品的研發(fā)效率。

2）金屬增材制造技術的應用優(yōu)化了泵閥結構，進一步提升了泵閥的性能。金屬3D打印技術可以直接在原材料上進行打印，無需通過加工和組裝，避免了材料浪費和結構弱化的問題。通過金屬增材制造技術，可以將泵閥內部結構優(yōu)化為更加復雜和精細的形式，提高了泵閥的效率和性能。同時還可以實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，有效降低了測試成本和研發(fā)周期，節(jié)省了研發(fā)成本。

3）通過精密鑄造樹脂熔模技術和拓撲優(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鑄造或者機加工的形式完成，制作工藝繁瑣，導致了優(yōu)化方案受限。而現(xiàn)在金屬增材制造技術，可以將泵閥設計為更加復雜的形狀和結構，實現(xiàn)更高效、更節(jié)能的工作方式。

舉個應用案例。一直以來，電磁氣動閥的殼體零件最為復雜，需集成四路電磁閥組件和一路導閥組件。為改進加工過程、縮短生成周期、提高交付合格率與質量穩(wěn)定性，中國航天科技集團有限公司六院801所的研制隊伍將3D打印技術應用于閥門零部件生產(chǎn)，并成功實現(xiàn)了該所3D打印技術在閥門類產(chǎn)品中的首次應用。

閥企如何布局
當然，對于一些生產(chǎn)傳統(tǒng)閥門產(chǎn)品的企業(yè)來說，金屬增材制造可能并不是一項必備的技術，畢竟其生產(chǎn)流程和制造工藝相對成熟，且產(chǎn)品種類和規(guī)格相對較少，對于復雜結構的需求并不高。

但是，對于一些生產(chǎn)高端、定制化、復雜結構閥門的企業(yè)來說，金屬增材制造則具有很大的吸引力。因為這些企業(yè)需要生產(chǎn)具有特殊結構、復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。通過金屬增材制造技術，企業(yè)可以快速原型制造、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質量和滿足個性化需求。

此外，隨著市場競爭的加劇和客戶對產(chǎn)品性能要求的提高，越來越多的閥門企業(yè)開始注重產(chǎn)品的研發(fā)和創(chuàng)新。金屬增材制造技術可以為閥門產(chǎn)品的設計和材料選擇等方面提供新的途徑和手段，促進企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級。

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，更多行業(yè)的嘗試創(chuàng)新，金屬增材制造將會獲得更多行業(yè)的信任和認可，在未來發(fā)揮更為重要的作用。