3D打印技術在泵閥行業的機會何在？
時間：2018-03-27 22:19 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
包括互聯網、神經網絡、電阻式和電容式觸摸屏技術等在內的創新，已經打斷了傳統技術和工藝的發展進程。過去30年間，被稱為增材制造的3D打印也為制造業帶來了變革。從小型上釉陶器到3D打印房屋，增材制造技術的應用十分廣泛。
增材制造的早期應用僅限于快速成型和醫學領域，如3D打印義肢和腎臟。隨著工藝的不斷演變， 3D打印技術給不同終端用戶行業帶來了革命性的變革。而不同原材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乙烯醇塑料（PVA）、聚碳酸酯（PC）、尼龍、樹脂、不銹鋼、鈦和其它金屬材料的使用，則進一步推動了3D打印技術向各個終端用戶行業進軍。
工藝和原材料的改進拓展了3D打印技術的應用，而3D打印技術本身的基本工作原理更是為制造商提供了比傳統生產工藝更大的優勢。
3D打印技術的優勢
一般而言，3D打印技術的主要優點包括：方便加工復雜形狀部件、加快產品上市、削減制造成本、個性化定制和轉移風險等。因為3D打印可以生產具有復雜設計的部件和產品，而且，將計算機輔助設計（CAD）繪圖與3D打印機相連接，可以讓生產商按照復雜形狀一層層添加材料。它消除了傳統加工工序，如銑、車、鉆，也不再需要數控機床、激光切割、電化學腐蝕等先進機加工技術，還極大縮短了設備的生產準備時間和換批時間。原來組裝生產線需要花費數周才能生產出的部件和產品，有了3D打印技術后，只需要幾天即可完成。另外，與傳統制造工藝相比，3D打印技術還縮短了30%-50%的模具制造時間。
從成本來看，3D打印技術不再需要傳統制造所需的各種昂貴部件，模具成本、生產準備成本、人工成本、原材料或邊角料的浪費也因為3D打印而得以避免。而且，3D打印產品報廢成本較低，大幅削減了生產商快速原型制造的成本風險。
3D打印因其確定的優勢被各個終端應用行業的制造商不同程度地用在生產中。目前，3D打印在醫療保健行業的應用還局限于義肢和器官的打印，而汽車、航空航天、建筑等行業則將3D打印技術從原來的快速成型擴大到終端產品的生產中。但是，成熟的行業如泵閥領域此前并不急于采用3D打印技術，直到最近，才開始考察3D打印技術的應用可能。
泵閥行業為何并不急于使用3D打印技術
3D打印技術在泵閥行業得到完全的使用還存在著自身的壁壘，這推遲了這種技術的應用。除了3D打印技術在原型制造方面的局限，其它還有一些因素限制了泵閥行業對3D打印技術的應用，包括材料選擇范圍的局限性、不具備規模優勢、存在知識產權侵權和網絡安全的風險。
起初，3D打印原材料局限于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乙烯醇塑料（PVA）、聚碳酸酯（PC）和其它類型的塑料及樹脂。這些原材料因為缺乏承受泵閥工況中的流體堿度、蒸汽壓力、工作溫度及其它因素所需的必要的機械性能，限制了泵閥生產商采用3D打印技術。
泵閥生產企業采用3D打印技術的機會何在？
隨著工藝和原材料機械性能的優化，3D打印技術已經可以滿足泵閥生產企業的要求。而市場對于幾何形狀復雜、高能效、高成本效益產品的需求，也推動泵閥生產企業開始考慮挖掘3D打印技術的優勢。再者，過去多年來，3D打印技術也已經通過技術的不斷演進，克服了自身的局限，為泵閥生產企業開啟了新的機會。
第二，知識產權保護工作有了進展。保護3D打印CAD文檔對于生產企業至關重要。現在已經有多種方法來保護CAD文檔或者設計本身。包括與3D打印服務提供商簽署信息安全的NDA（保密）文件、不同專利和版權法可以為終端用戶提供設計、打印對象的專利和版權保護等。
而對于已經使用數十年、設計圖紙已經丟失的老泵而言，逆向工程則可以幫助他們重新制造出所需的產品。
通常，泵的使用壽命為15年至20年。顯然，有些終端用戶目前還在運行著數十年的老泵。3D打印技術可以幫助他們進行逆向工程，特別是在泵的原始設計圖紙已經遺失的情況下，更是如此。因為3D掃描技術可以讓終端用戶通過掃描產品，重新獲得CAD設計文檔，并由3D打印服務提供商打印出來，終端用戶因此可以制造出所需的產品、備件或組件。
3D打印技術在液壓領域的應用
高壓問題阻礙了金屬3D打印技術在液壓領域的廣泛應用，但從設計的角度來看，有些特殊應用還是可以借助于3D打印部件的幫助的。液壓技術的一大優勢是功率密度高。液壓泵體積通常只有驅動電機很小的一部分，相對于汽油或柴油發動機而言，液壓泵就顯得更微小了。但液壓泵更大的優勢在于，在作動器的配合下，雖然液壓缸的直徑只有數英寸，但可以產生舉起幾千磅、壓碎石頭和混凝土或者將高強鋼打造成堅固部件的力量。
液壓系統的另一個優點是對于方向、速度、扭矩和力的控制能力。不管是簡單的手動閥，還是精密的電子控制自動閥，均是如此。過去，電子控制液壓閥在不斷取得進步，但制造閥的工藝本身并沒有太大變化，目前，這一局面也在改變。
3D打印通過精確定位需要設置的流通管道的位置、形狀和大小，克服了這些局限。這意味著流道可以比傳統多支管更為精確的方式靠近儀器布置，從而使得最終部件尺寸更緊湊、更輕巧。而且，連接兩個或多個內部管路的通道不需要從多支管外面進行機加工，從而避免了后續需要堵塞以防止液體流出的麻煩。
但是，3D打印不只限于多支管的使用。閥件本身也因3D打印而受益。如，閥體通常包含環形流動路徑，這主要是因為機床采用旋轉切削工具所致。而用方形截面代替圓形流道可以增加20%的流量，因為與相同寬度的圓相比，正方形的面積更大。
應用案例
這種3D打印的液壓閥體是由不銹鋼制成，用于控制單只工作氣缸。該工藝采用計算機控制的激光熔覆技術，將不銹鋼粉末逐層熔融堆疊而成。Aidro SrL是一家專門設計和生產傳統及3D打印液壓部件的意大利公司。總經理Alberto Tacconelli認為，3D打印部件非常適用于特殊應用。“用增材制造技術可以定制生產出更為小巧、質輕的部件或產品，同時效率或者性能往往要高于用傳統技術生產的液壓部件。”
因為能夠按照需要生產出更為復雜的內部結構特征和通道，增材制造非常適用于多支管的設計和生產。閥體的內部通道經過優化后，可以在更小的空間內獲得更高的流量。而且，由于不需要進行額外的鉆孔，所以也消除了滲漏的弊端。
3D打印不受傳統制造技術的限制，可以生產出非傳統形狀的部件。其好處是像這樣的方口閥芯部件可以獲得比同樣寬度的圓口閥芯更高的流量。3D打印技術應用于液壓領域的主要優勢在于：實現用傳統技術不可能實現的概念；節約重量、空間、材料；獲得新的結構，減少了線路連接的復雜性；快速原型制造，同一個項目可能有多個不同的原型；生產時間短，可能只需要數小時，而不是幾天；可選擇不同材料：AISI 304和316L 不銹鋼、鋁、鋁&鈦合金、以及其它還在開發中的材料；高性能，消除了潛在的滲漏風險。
來源： 現代激光工業
增材制造的早期應用僅限于快速成型和醫學領域，如3D打印義肢和腎臟。隨著工藝的不斷演變， 3D打印技術給不同終端用戶行業帶來了革命性的變革。而不同原材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乙烯醇塑料（PVA）、聚碳酸酯（PC）、尼龍、樹脂、不銹鋼、鈦和其它金屬材料的使用，則進一步推動了3D打印技術向各個終端用戶行業進軍。
工藝和原材料的改進拓展了3D打印技術的應用，而3D打印技術本身的基本工作原理更是為制造商提供了比傳統生產工藝更大的優勢。
3D打印技術的優勢
一般而言，3D打印技術的主要優點包括：方便加工復雜形狀部件、加快產品上市、削減制造成本、個性化定制和轉移風險等。因為3D打印可以生產具有復雜設計的部件和產品，而且，將計算機輔助設計（CAD）繪圖與3D打印機相連接，可以讓生產商按照復雜形狀一層層添加材料。它消除了傳統加工工序，如銑、車、鉆，也不再需要數控機床、激光切割、電化學腐蝕等先進機加工技術，還極大縮短了設備的生產準備時間和換批時間。原來組裝生產線需要花費數周才能生產出的部件和產品，有了3D打印技術后，只需要幾天即可完成。另外，與傳統制造工藝相比，3D打印技術還縮短了30%-50%的模具制造時間。
3D打印因其確定的優勢被各個終端應用行業的制造商不同程度地用在生產中。目前，3D打印在醫療保健行業的應用還局限于義肢和器官的打印，而汽車、航空航天、建筑等行業則將3D打印技術從原來的快速成型擴大到終端產品的生產中。但是，成熟的行業如泵閥領域此前并不急于采用3D打印技術，直到最近，才開始考察3D打印技術的應用可能。
泵閥行業為何并不急于使用3D打印技術
3D打印技術在泵閥行業得到完全的使用還存在著自身的壁壘，這推遲了這種技術的應用。除了3D打印技術在原型制造方面的局限，其它還有一些因素限制了泵閥行業對3D打印技術的應用，包括材料選擇范圍的局限性、不具備規模優勢、存在知識產權侵權和網絡安全的風險。
起初，3D打印原材料局限于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乙烯醇塑料（PVA）、聚碳酸酯（PC）和其它類型的塑料及樹脂。這些原材料因為缺乏承受泵閥工況中的流體堿度、蒸汽壓力、工作溫度及其它因素所需的必要的機械性能，限制了泵閥生產商采用3D打印技術。
其次，對于從事泵閥這樣中等至大規模生產的制造商而言，傳統制造技術具有規模優勢。這也導致3D打印技術只能用于原型制造或者僅用于生產替換產品和零部件的場合。
再者，3D打印技術嚴重依賴于數字化信息，如CAD文件、在線設計以及向3D打印企業的文件傳送，讓數據盜竊和知識產權侵犯有機可趁。成熟的泵閥行業一直在積極尋求通過技術優勢獲得競爭力，而對于將將技術競爭力暴露給競爭對手和業內其它企業的擔憂，毫無疑問阻礙了3D打印技術的應用。另外，3D打印工藝如光固化快速成形（SLA）、熔融沉積成型（FDM）和選擇性激光燒結（SLS）的專利許可分別于2004年、2009年、2014年到期，也讓泵閥生產企業認為這項技術看起來不像是有利可圖的投資。泵閥生產企業采用3D打印技術的機會何在？
隨著工藝和原材料機械性能的優化，3D打印技術已經可以滿足泵閥生產企業的要求。而市場對于幾何形狀復雜、高能效、高成本效益產品的需求，也推動泵閥生產企業開始考慮挖掘3D打印技術的優勢。再者，過去多年來，3D打印技術也已經通過技術的不斷演進，克服了自身的局限，為泵閥生產企業開啟了新的機會。
第二，知識產權保護工作有了進展。保護3D打印CAD文檔對于生產企業至關重要。現在已經有多種方法來保護CAD文檔或者設計本身。包括與3D打印服務提供商簽署信息安全的NDA（保密）文件、不同專利和版權法可以為終端用戶提供設計、打印對象的專利和版權保護等。
而對于已經使用數十年、設計圖紙已經丟失的老泵而言，逆向工程則可以幫助他們重新制造出所需的產品。
通常，泵的使用壽命為15年至20年。顯然，有些終端用戶目前還在運行著數十年的老泵。3D打印技術可以幫助他們進行逆向工程，特別是在泵的原始設計圖紙已經遺失的情況下，更是如此。因為3D掃描技術可以讓終端用戶通過掃描產品，重新獲得CAD設計文檔，并由3D打印服務提供商打印出來，終端用戶因此可以制造出所需的產品、備件或組件。
3D打印技術在液壓領域的應用
高壓問題阻礙了金屬3D打印技術在液壓領域的廣泛應用，但從設計的角度來看，有些特殊應用還是可以借助于3D打印部件的幫助的。液壓技術的一大優勢是功率密度高。液壓泵體積通常只有驅動電機很小的一部分，相對于汽油或柴油發動機而言，液壓泵就顯得更微小了。但液壓泵更大的優勢在于，在作動器的配合下，雖然液壓缸的直徑只有數英寸，但可以產生舉起幾千磅、壓碎石頭和混凝土或者將高強鋼打造成堅固部件的力量。
液壓系統的另一個優點是對于方向、速度、扭矩和力的控制能力。不管是簡單的手動閥，還是精密的電子控制自動閥，均是如此。過去，電子控制液壓閥在不斷取得進步，但制造閥的工藝本身并沒有太大變化，目前，這一局面也在改變。
3D打印通過精確定位需要設置的流通管道的位置、形狀和大小，克服了這些局限。這意味著流道可以比傳統多支管更為精確的方式靠近儀器布置，從而使得最終部件尺寸更緊湊、更輕巧。而且，連接兩個或多個內部管路的通道不需要從多支管外面進行機加工，從而避免了后續需要堵塞以防止液體流出的麻煩。
但是，3D打印不只限于多支管的使用。閥件本身也因3D打印而受益。如，閥體通常包含環形流動路徑，這主要是因為機床采用旋轉切削工具所致。而用方形截面代替圓形流道可以增加20%的流量，因為與相同寬度的圓相比，正方形的面積更大。
應用案例
這種3D打印的液壓閥體是由不銹鋼制成，用于控制單只工作氣缸。該工藝采用計算機控制的激光熔覆技術，將不銹鋼粉末逐層熔融堆疊而成。Aidro SrL是一家專門設計和生產傳統及3D打印液壓部件的意大利公司。總經理Alberto Tacconelli認為，3D打印部件非常適用于特殊應用。“用增材制造技術可以定制生產出更為小巧、質輕的部件或產品，同時效率或者性能往往要高于用傳統技術生產的液壓部件。”
因為能夠按照需要生產出更為復雜的內部結構特征和通道，增材制造非常適用于多支管的設計和生產。閥體的內部通道經過優化后，可以在更小的空間內獲得更高的流量。而且，由于不需要進行額外的鉆孔，所以也消除了滲漏的弊端。
3D打印不受傳統制造技術的限制，可以生產出非傳統形狀的部件。其好處是像這樣的方口閥芯部件可以獲得比同樣寬度的圓口閥芯更高的流量。3D打印技術應用于液壓領域的主要優勢在于：實現用傳統技術不可能實現的概念；節約重量、空間、材料；獲得新的結構，減少了線路連接的復雜性；快速原型制造，同一個項目可能有多個不同的原型；生產時間短，可能只需要數小時，而不是幾天；可選擇不同材料：AISI 304和316L 不銹鋼、鋁、鋁&鈦合金、以及其它還在開發中的材料；高性能，消除了潛在的滲漏風險。
來源： 現代激光工業
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