Як металевий 3D -друк може оптимізувати структуру високих - тіл тиску?

1. Пробиваючись повз межі традиційного виробництва: зміна величезної різниці в кількості геометричних ступенів свободи
Кування та обробка - це основні методи, що використовуються для виготовлення традиційних високих - Тіла клапана тиску, але ці методи мають кілька обмежень, наприклад, наскільки легко дістатися до інструментів і як швидко вони можуть видалити матеріал. Під час розробки складних каналів потоку вам часто доводиться робити торгівлю - оф. Наприклад, хрест - просвердлені проходи в тіла гідравлічних клапана повинні бути оброблені, але вправо - кутові повороти можуть зробити турбулентну рідину і погіршити тиск.Металевий 3D -друк, з іншого боку, може зробити будь -яку складну форму безпосередньо, додавши шари.
У більшості випадків:
Корпус клапана SpaceX окислювача: Цей корпус клапана є важливою частиною ракетних систем. Він повинен мати можливість обробляти високі температури та високий тиск. Команда Design використовувала технологію SLM (селективне лазерне плавлення) для поєднання традиційної багатокласної компонента Multi - компонента потокового каналу в один шматок. Це змусило товщину стінки потокового каналу перейти від 8 мм до 5 мм. У той же час оптимізація топології була використана для скорочення матеріалу в навантаженні Non - - підшипник. Це зробило тіло клапана на 40% легшим і 15 мпА сильнішим у стисненні.
Італійська компанія Aidro переробила блок гідравлічного клапана за допомогою технології 3D -друку. Вони замінили традиційний хрест - канал бурового потоку з плавним потоковим каналом з плавним переходом, який знижує втрату тиску рідини на 25%, знижує об'єм блоку клапана на 30%і досягає поглинання амортизації та зменшення шуму через внутрішню структуру решітки.
Ключові технічні моменти:
Проектування структури, яка може підтримувати себе: проектування самості - підтримуючого кута від 45 градусів до 55 градусів робить менш ймовірним, що опорна структура потрапить на шлях потокового каналу. Наприклад, корпус клапана титанового сплаву має потоковий канал, який нахилений на 45 градусів, щоб залишок підтримки не нарощувався, коли він встановлений горизонтально.
Оптимізація мульти - осі канали: Використання моделювання CFD (обчислювальна динаміка рідини), щоб знайти найкращий радіус кривизни для каналу, щоб рідина постійно протікала по кутах. Завдяки дослідженню CFD німецька компанія Samson покращила радіус кривизни каналу потоку клапана від 3 мм до 6 мм, що знизило втрату тиску на 18%.
Дизайн, яка працює разом: поєднуючи типові тіла клапана, які потрібно скласти разом з декількох частин, в єдину структуру шматка, яка скорочує кількість друку герметизації . 3 D поєднує 10 функціонуючих частин у корпус гідравлічного клапана Airbus A380, який знижує шанс на витоки на 60%.
2. Легка та висока міцність можуть співіснувати: оптимізація топології призводить до структурної революції
Високий клапан тиску - повинен бути легким, але достатньо сильним, щоб протистояти тиску, щоб система не використовувала стільки енергії. Традиційний дизайн використовує емпіричні формули, щоб переконатися, що всі частини однаково сильні. Алгоритми оптимізації металевих 3D -друку та топології, з іншого боку, можуть досить точно керувати розподілом матеріалів.
У більшості випадків:
Ліберр авіаційна гідравлічна клапана Корпус: Лібхер зробив корпус гідравлічного клапана титанового сплаву для Airbus A380. Використовуючи оптимізацію топології, вони позбулися 35% навантаження Non - - підшипнику матеріалів, які зробили корпус клапана легшим (від 2,8 кг до 1,8 кг) і сильнішим (від 25 МПа до 25 МПа). Корпус клапана виготовляється за допомогою технології SLM, що надає йому товщини шару 30 мкм і шорсткість поверхні РА менше або дорівнює 6,3 мкм. Це відповідає точним стандартам авіаційного класу.
Клуб ядерного клапана ядерного потужності CGN виготовлений з нержавіючої сталі 316 л і має конструкцію конструкції решітки змінної щільності. Це робить його на 28% легше, в той час як все ще здатний протистояти тиску 15 мпА. Шорсткість поверхні внутрішнього потоку каналу також краща, ніж у традиційних процесів обробки.
Важливі технічні моменти:
Multi - Оптимізація об'єктивної топології: Генетичний алгоритм або моделюваний алгоритм відпалу знаходить найкращий розподіл матеріалу, використовуючи міцність, жорсткість та життя втоми як межі. Наприклад, Platinum BLT - S400 може знайти 20 000 оптимізованих вузлів на шар і зробити форми тіла клапана, які відповідають специфікаціям ASME BPVC.
Застосування градієнтного матеріалу: Ви можете змінити потужність лазера або швидкість сканування, щоб змінити спосіб роботи матеріалу в різних частинах одного компонента. Наприклад, високий - сканування потужності використовується на площі ущільнення поверхні корпусу клапана, щоб зробити його важче, тоді як низька - сканування потужності використовується на частині, яка не несе ваги для полегшення залишкового напруги.
Контроль термічного напруження: Високі тіла клапана тиску можуть змінювати форму протягом усього виробничого процесу через теплове напруження, тому для скорочення збоїв необхідна оптимізація процесів. EOS M 400-4 використовує динамічну технологію контролю потужності лазерного живлення, яка скорочує розмір зони, ураженої теплотою (HAZ) корпусу клапана титанового сплаву від 0,5 мм до 0,2 мм і знижує залишкове напруження на 40%.
3. Стрибок продуктивності каналу: зміна від "каналу" на "систему управління рідиною"
Важко отримати точний контроль над продуктивністю динаміки рідини з традиційною конструкцією каналу потоку тіла клапана, оскільки він використовує емпіричні формули. Інноваційні конструкції, такі як мікроканали та канали біоміметичного потоку, перетворюють корпус клапана з "пасивного каналу" в "систему активної рідини".
У більшості випадків:
Сервоприводний клапан доміну - це 3D - надрукований сервооцінний клапан, який був перероблений корпорацією UK Domin Company. Дизайн потоку шкіри біоміметичної акули робить рідину утворюю стабільну стінку -, прикріплений потоком всередині тіла клапана. Це знижує турбулентний шум на 12 дБ і втрата тиску з 0,8 мпА до 0,5 мпА.
Гідравлічний клапан Renishaw Sailboat: Renishaw зробив гідравлічний клапан для барабанного човна Land Rover, який використовує 3D -друк, щоб зробити гладкий, округлий потоковий канал. Це робить передачу рідин на 15% більш ефективною і допомагає вітрильнику на 0,3 вузла швидше в Америці Копа.
Важливі технічні моменти:
Виготовлення мікроканалів: мікроканали з діаметром менше 0,5 мм можуть бути зроблені з високим - точним лазерним скануванням, як, наприклад, швидкість сканування сканування 20000 мм/с обладнання Huashu High Tech FS121M-8. Наприклад, тіло медичного клапана має 3D -друковані 0,3 -мм мікроканали, які роблять розподіл лікарських засобів більш точним на ± 2%.
Дизайн біоміметичного потоку каналу: Використання конструкцій, що спостерігаються в природі, які допомагають рідинам краще протікати, такі листяні вени та розгалуження кровоносних судин, щоб зробити канали потоку з низькою стійкістю. Університет Пенсільванії виробляв гідравлічний клапан сплаву Inconel 718, який використовує конструкцію біоміметичного фрактального потоку каналу, щоб знизити падіння тиску на 30%.
Оптимізація мульти - Фізика: це процес використання динаміки рідини, термодинаміки та структурної механіки разом, щоб проаналізувати, як різні поля взаємодіють між собою, щоб отримати найкращі продуктивність з каналу проточного та клапана. Наприклад, Самсон використовує платформу Workbench ANSYS для оптимізації розподілу тиску в каналі потоку та теплового напруження в корпусі клапана одночасно.
4. Матеріальні інновації: Вибір найкращого матеріалу замість найбільш доступних
Виконуючи високі тіла клапана тиску -, вам потрібно подумати про багато речей, як, наприклад, наскільки вони сильні, наскільки вони добре протистоять корозії та наскільки добре вони дотримуються високих температур. Технологія обробки обмежує різноманітність традиційних матеріалів, але металевий 3D -друк може швидко перевірити та використовувати нові матеріали.
У типовому випадку:
Nickel - Високий - Температурний сплав клапан Тіло клапана: GE Aviation робить INCONEL 718 КОЛИКИ КЛАПАНІВ КЛАПАНИ З використанням технології Concept Laser M2. Регулюючи щільність лазерної енергії (80–120j/мм³), щільність матеріалу наближається до 99,9% і залишається при міцності на врожайність 1200 мПа навіть при високій температурі 650 градусів, що саме потребують авіаційні двигуни.
Титанський алюмінієвий сплав (тиальний) гідравлічний корпус клапана, який Platinum Lite та певний виробник автомобілів працювали разом, керує та фазами дуже точно через 3D -друк. Це знижує щільність корпусу клапана від 4,5 г/см³ до 3,8 г/см³, зберігаючи міцність на 450 мпА. Це допомагає зробити нові енергетичні транспортні засоби легшими.
Ключові технічні моменти:
Створення нових матеріалів: виготовлення високих - продуктивних сплавів матеріалів, змінюючи склад порошку (наприклад, додавши SC, ZR та інші елементи). Наприклад, певна компанія зробила 3D-друк - специфічний титановий сплав (TI-6AL-4V-0,1B), який триває на 20% довше, ніж звичайні матеріали, коли вони втомилися.
Технологія друку з більш ніж одним матеріалом: Використання більш ніж однієї лазерної головки або насадки може здійснювати градієнтні переходи між різними матеріалами. Наприклад, друк сильного сплаву (наприклад, Stellite 6) на герметичній поверхні кузова клапана та легкого алюмінієвого сплаву на основному тілі вражає хороший компроміс між продуктивністю та витратами.
Створення бази даних матеріалу: Налаштуйте базу даних 3D -друку - конкретна продуктивність матеріалу, яка допоможе дизайну. Наприклад, база даних EOS матеріалів має інформацію про процес 3D -друку та продуктивність для більш ніж 200 типів металевих матеріалів.