In che modo la stampa 3D in metallo può ottimizzare la struttura dei corpi di valvola di pressione - alti?

1. Rompere oltre i limiti della produzione tradizionale: fare un'enorme differenza nel numero di gradi geometrici di libertà
La forgiatura e la lavorazione sono i metodi principali utilizzati per realizzare corpi tradizionali di valvola a pressione -, ma questi metodi hanno diversi limiti, come quanto sia facile raggiungere gli strumenti e quanto velocemente possono rimuovere il materiale. Durante la progettazione di canali di flusso complicati, è spesso necessario fare scambi - offs. Ad esempio, la croce - i passaggi perforati nei corpi della valvola idraulica devono essere lavorati, ma i colpi d'angolo - corretti possono peggiorare il fluido turbolento e peggiorare la perdita di pressione.Stampa 3D in metallo, d'altra parte, può creare qualsiasi forma complicata direttamente aggiungendo strati.
Nella maggior parte dei casi:
Corpo valvola di ossidante SpaceX: questo corpo della valvola è una parte importante dei sistemi di potenza missilistica. Deve essere in grado di gestire temperature elevate e elevate pressioni. Il team di progettazione ha utilizzato la tecnologia SLM (selettiva laser fusione) per combinare il tradizionale gruppo componente multi - del canale di flusso in un unico pezzo. Ciò ha reso lo spessore della parete del canale di flusso da 8 mm a 5 mm. Allo stesso tempo, è stata utilizzata l'ottimizzazione della topologia per ridurre il materiale nel carico non - -. Ciò ha reso il corpo della valvola più leggero del 40% e 15MPA più forte in compressione.
La società italiana Aidro ha riprogettato il blocco della valvola idraulica utilizzando la tecnologia di stampa 3D. Hanno sostituito il tradizionale canale di flusso di perforazione tra tradizionale - con un canale di flusso curvo di transizione regolare, che riduce la perdita di pressione del fluido del 25%, riduce il volume del blocco della valvola del 30%e raggiunge l'assorbimento di ammortizzatori e la riduzione del rumore attraverso una struttura reticolare interna.
Punti tecnici chiave:
Progettare una struttura che può supportarsi da sola: progettare un angolo di supporto di auto -{0}} da 45 gradi a 55 gradi rende meno probabile che la struttura di supporto ostacola il canale di flusso. Ad esempio, il corpo della valvola in lega di titanio ha un canale di flusso inclinato a 45 gradi in modo che il residuo di supporto non si accumuli quando è installato in orizzontale.
Ottimizzazione dei canali dell'asse Multi -: usando la simulazione CFD (fluidodinamica computazionale) per trovare il miglior raggio di curvatura per il canale in modo che il fluido continui a fluire senza intoppi attorno agli angoli. Attraverso la ricerca CFD, la società tedesca Samson ha migliorato il raggio di curvatura del canale di flusso della valvola da 3 mm a 6 mm, che ha ridotto la perdita di pressione del 18%.
Design che funziona insieme: combinare corpi di valvole tipici che devono essere messi insieme da diverse parti in una struttura a pezzo singolo, che riduce il numero di superfici di tenuta . 3 d combina 10 parti funzionanti nel corpo della valvola idraulica a spoiler Airbus A380, che riduce la possibilità di perdite del 60%.
2. Lightweight e alta resistenza possono coesistere: l'ottimizzazione della topologia porta a una rivoluzione strutturale
Il corpo della valvola a pressione - alta deve essere leggero ma abbastanza forte da resistere alla pressione in modo che il sistema non usi la stessa energia. Il design tradizionale utilizza formule empiriche per assicurarsi che tutte le parti siano ugualmente forti. Gli algoritmi di stampa 3D in metallo e topologia, d'altra parte, possono gestire la distribuzione dei materiali in modo abbastanza preciso.
Nella maggior parte dei casi:
Liebherr Aviation Avial Idraulic Valve Body: Liebherr ha realizzato un corpo della valvola idraulica in lega di titanio per l'airbus A380. Usando l'ottimizzazione della topologia, si sono sbarazzati del 35% del carico non - - materiali per cuscinetti, che hanno reso il corpo della valvola più leggero (da 2,8 kg a 1,8 kg) e più forte (da 25 MPa a 25 MPa). Il corpo della valvola è realizzato con la tecnologia SLM, che gli conferisce uno spessore dello strato di 30 μm e una rugosità superficiale di RA inferiore o uguale a 6,3 μm. Questo soddisfa gli standard di precisione per il voto dell'aviazione.
Il corpo della valvola di potenza nucleare CGN è realizzato in acciaio inossidabile 316L e ha un design della struttura reticolare a densità variabile. Questo lo rende più leggero del 28% pur essendo in grado di resistere a 15 MPA di pressione. La rugosità superficiale del canale di flusso interno è anche migliore di quella dei tradizionali processi di lavorazione.
Punti tecnici importanti:
Multi - Ottimizzazione della topologia obiettiva: l'algoritmo genetico o l'algoritmo di ricottura simulato trova la migliore distribuzione dei materiali usando la resistenza, la rigidità e la vita a fatica come limiti. Ad esempio, il Platinum BLT - S400 può trovare 20.000 nodi ottimizzati per livello e creare forme del corpo della valvola che soddisfano le specifiche ASME BPVC.
Applicazione del materiale gradiente: è possibile modificare la potenza del laser o la velocità di scansione per cambiare il modo in cui il materiale funziona in varie parti dello stesso componente. Ad esempio, la scansione di alimentazione - alta viene utilizzata sulla superficie di tenuta del corpo della valvola per renderlo più difficile, mentre la scansione di alimentazione - bassa viene utilizzata sulla porzione che non ha peso per alleviare lo stress residuo.
Controllo della sollecitazione termica: i corpi di valvola a pressione - alti possono cambiare forma durante il processo di produzione a causa della sollecitazione termica, pertanto è necessaria l'ottimizzazione del processo per ridurre i guasti. L'EOS M 400-4 utilizza la tecnologia dinamica di controllo dell'alimentazione laser, che riduce le dimensioni della zona interessata a calore (HAZ) del corpo della valvola in lega di titanio da 0,5 mm a 0,2 mm e riduce lo stress residuo del 40%.
3. Canale Performance Leap: la modifica dal "canale" a "sistema di controllo fluido"
È difficile ottenere un controllo accurato rispetto alle prestazioni della fluidodinamica con il tradizionale design del canale del flusso del corpo della valvola poiché utilizza formule empiriche. Design innovativi come microcanali e canali di flusso biomimetico trasformano il corpo della valvola da un "canale passivo" in un "sistema di controllo del fluido attivo".
Nella maggior parte dei casi:
La valvola servo di alimentazione fluida Domin è una valvola servo stampata 3D - che è stata ridisegnata dalla società del Regno Unito Domin Corporation. Il design del canale del flusso della pelle di squalo biomimetico rende il fluido una parete stabile - flusso attaccato all'interno del corpo della valvola. Ciò riduce il rumore turbolento di 12 dB e la perdita di pressione da 0,8 MPA a 0,5 MPA.
Valvola idraulica della barca a vela Renishaw: Renishaw ha realizzato una valvola idraulica per la barca a vela del bar del Land Rover che utilizza la stampa 3D per creare un canale di flusso liscio e arrotondato. Ciò rende la trasmissione di fluidi il 15% più efficiente e aiuta la barca a vela a andare a 0,3 nodi più velocemente nell'America della Copa.
Punti tecnici importanti:
Fare microcanali: microcanali con un diametro inferiore a 0,5 mm possono essere realizzati con un'elevata scansione laser di precisione -, come la velocità di scansione di 20000 mm/s delle apparecchiature Huashu High Tech FS121M-8. Ad esempio, un corpo della valvola medica ha microcanali da 0,3 mm stampato in 3D che rendono la distribuzione dei farmaci più accurata di ± 2%.
Design del canale a flusso biomimetico: usando le strutture osservate in natura che aiutano i fluidi a fluire meglio, tali vene fogliare e ramificazione dei vasi sanguigni, per produrre canali di flusso con bassa resistenza. L'Università della Pennsylvania ha prodotto la valvola idraulica in lega di Inconel 718, che utilizza la progettazione del canale a flusso frattale biomimetico per ridurre la caduta di pressione del 30%.
Multi - Ottimizzazione dell'accoppiamento della fisica: questo è il processo di utilizzo della fluidodinamica, della termodinamica e della meccanica strutturale per analizzare come diversi campi interagiscono tra loro per ottenere le migliori prestazioni dal canale di flusso e dalla costruzione del corpo della valvola. Ad esempio, Samson utilizza la piattaforma ANSYS Workbench per ottimizzare la distribuzione della pressione nel canale di flusso e lo stress termico nel corpo della valvola contemporaneamente.
4. Innovazione materiale: scelta del materiale migliore anziché il più disponibile
Quando si effettuano i corpi di valvola a pressione -, devi pensare a molte cose, come quanto sono forti, quanto bene resistono alla corrosione e a quanto bene tengono fino a temperature elevate. La tecnologia di elaborazione limita la varietà di materiali tradizionali, ma la stampa 3D in metallo può verificare e utilizzare rapidamente nuovi materiali.
In un caso tipico:
Nickel - Basato su High - Codice valvola in lega di temperatura: GE L'aviazione fa INCUNEL 718 Codie valvole in lega usando la tecnologia Concept Laser M2. Regolando la densità di energia laser (80–120J/mm³), la densità del materiale si avvicina al 99,9% e rimane a una resistenza alla snervamento di 1200 MPa anche ad alta temperatura di 650 gradi, che è ciò di cui i motori aeronautici hanno bisogno.
Il corpo della valvola idraulica in lega di alluminio in titanio (TIAL) su cui il platino lite e un certo produttore automobilistico hanno lavorato insieme controllano le fasi e le fasi in modo molto preciso attraverso la stampa 3D. Ciò riduce la densità del corpo della valvola da 4,5 g/cm³ a ​​3,8 g/cm³ mantenendo la sua forza a 450 MPA. Questo aiuta a rendere più leggeri nuovi veicoli energetici.
Punti tecnici chiave:
Creare nuovi materiali: realizzare materiali in lega per prestazioni - alti modificando la composizione della polvere (ad esempio, aggiungendo SC, ZR e altri elementi). Ad esempio, una determinata società ha realizzato una stampa 3D - in lega di titanio specifica (TI-6Al-4V-0.1b) che dura il 20% più in più rispetto ai materiali normali quando sono stanchi.
La tecnologia per la stampa con più di un materiale: l'uso di più di una testa o ugello laser può effettuare transizioni per gradienti tra materiali diversi. Ad esempio, la stampa di una lega forte (come la stellite 6) sulla superficie di tenuta del corpo della valvola e la lega di alluminio leggera sul corpo principale colpisce un buon compromesso tra prestazioni e costi.
Costruire un database dei materiali: impostare un database di stampa 3D - prestazioni di materiale specifico per aiutare con il design. Il database EOS Materials, ad esempio, ha informazioni sul processo di stampa 3D e sulle prestazioni per oltre 200 tipi di materiali metallici.