多年來，3D打印已被證明是一種非常方便的技術(shù)，可用于制造更換和 機(jī)械部件，如手動(dòng)水泵，變速箱，齒輪和閥門。今年，題為“3D打印安全閥分析和驗(yàn)證”的碩士論文題目，愛荷華州北部大學(xué)技術(shù)系的學(xué)生John Anthony Dutcher III使用SLA 3D打印制作內(nèi)部原型正排量泵的減壓閥。

摘要指出，“增材制造允許更快，更低成本的產(chǎn)品開發(fā)，包括定制，在使用點(diǎn)打印，以及每批產(chǎn)量的低成本。”該研究使用Stereolithography生產(chǎn)的原型來開發(fā)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)，即正排量泵的內(nèi)部減壓閥。在這項(xiàng)研究中開發(fā)并測(cè)試了四個(gè)3D打印原型組件。減壓閥組件由增材制造生產(chǎn)的壓力容器部件組成，后處理，并安裝在正排量泵上，無需額外的加工。使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬分析原型設(shè)計(jì)以增加通過閥門的流量。通過性能測(cè)試驗(yàn)證了模擬，以將開裂減少到閥的完全旁通壓力范圍。通過減小閥的這個(gè)操作范圍，可以降低泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率需求，從而提高泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量效率。

3D打印安全閥的性能測(cè)試測(cè)量了泵流量，閥內(nèi)的提升閥運(yùn)動(dòng)以及與現(xiàn)有應(yīng)用類似的操作條件下的排出壓力。Stereolithography原型組件表現(xiàn)非常好，表明閥門開裂至完全旁通階段的壓差降低了56%。該研究證明了增材制造的生產(chǎn)部件在壓力容器應(yīng)用中取代現(xiàn)有金屬部件的短期能力。可以降低泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率要求，從而提高泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能效。

一個(gè)多世紀(jì)以前開發(fā)的正排量泵內(nèi)部的齒輪能夠克服現(xiàn)有的性能限制，但它絕不是完美的。這些泵需要一個(gè)內(nèi)部安全閥，可以防止過大的壓力；如果排放流量減少，過壓系統(tǒng)可能會(huì)失效。

“這項(xiàng)研究的主要重點(diǎn)是研究用于正排量泵的內(nèi)部安全閥的性能，提出基于流動(dòng)模擬改進(jìn)閥門開裂至完全旁通壓力范圍的流動(dòng)條件，并通過驗(yàn)證性能改進(jìn)3D打印原型。”Dutcher寫道。

SLA零件生產(chǎn)多年來，這些正排量泵中的內(nèi)部安全閥的設(shè)計(jì)沒有太大變化。但是通過使用計(jì)算機(jī)模擬，可以修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)以使部件更有效。正如他在論文中所寫，Dutcher的研究驗(yàn)證了3D打印原型，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬和性能測(cè)試，“在對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)的設(shè)計(jì)開發(fā)中”，并且還表明成本和時(shí)間都可以通過使用3D打印來制造閥門。

“增材制造具有定制的優(yōu)勢(shì)，允許進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。”Dutcher寫道。

“開發(fā)可在使用點(diǎn)制造的可定制的最終用途組件，允許為壓力容器應(yīng)用生產(chǎn)特定應(yīng)用的產(chǎn)品。”

使用SLA技術(shù)進(jìn)行3D打印的閥門原型顯示出可以減少開裂量，從而完全繞過操作內(nèi)部安全閥所需的階段壓差。FDM 3D打印用于制作安裝支架，將LVDT傳感器連接到閥門原型上；該傳感器在測(cè)試期間測(cè)量提動(dòng)閥(內(nèi)部裝置在密封其表面的安全閥中)的運(yùn)動(dòng)。

組裝的參考閥擴(kuò)展

在他的論文中，Dutcher想要確定3D打印是否可以成功地用于生產(chǎn)正排量泵的測(cè)試閥組件，如果閥門的幾何形狀能夠根據(jù)流動(dòng)條件進(jìn)行優(yōu)化以減少裂縫，并且如果3D打印原型閥的性能與現(xiàn)有的傳統(tǒng)制造方法相同。最終，雖然他確實(shí)回答了這些問題，并證明了3D打印確實(shí)在開發(fā)新產(chǎn)品方面確實(shí)有應(yīng)用，但他的研究為改進(jìn)產(chǎn)品的現(xiàn)有設(shè)計(jì)提供了可行的概念證明。

“3D打印原型的開發(fā)是為了降低原型測(cè)試的成本和交付時(shí)間。”Dutcher寫道。

“增材制造允許定制的設(shè)計(jì)排列的靈活性提供了并行驗(yàn)證多個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。”

SLA支持結(jié)構(gòu)通過使用3D打印來創(chuàng)建原型，Dutcher能夠同時(shí)開發(fā)出幾種不同的設(shè)計(jì)概念，而不會(huì)被傳統(tǒng)制造方法帶來的常規(guī)障礙所困擾。SLA 3D打印還可以生產(chǎn)具有“加工零件尺寸公差”的零件，這有助于加快原型的開發(fā)。

“這項(xiàng)研究證明了SLA 3D打印能夠再現(xiàn)現(xiàn)有的機(jī)加工金屬部件，”Dutcher總結(jié)道。“雖然擴(kuò)展性能測(cè)試不是本研究的目的，但3D打印壓力容器閥門組件在性能測(cè)試中表現(xiàn)非常出色。如果沒有增材制造，就不可能開發(fā)出及時(shí)莊園的設(shè)計(jì)變化。測(cè)試表明，通過將裂縫減少到52.0psi至22.8psi的完全旁通壓力，閥門性能得到了改善。改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品的成功性能測(cè)試證明了SLA 3D打印原型組件的有效性。”

審核編輯 黃昊宇