Jak může kovový 3D tisk optimalizovat strukturu vysokotlakých těl ventilů?

1. Proložení přes limity tradiční výroby: Způsobím obrovský rozdíl v počtu geometrických stupňů svobody
Kování a obrábění jsou hlavní metody používané k výrobě tradičních vysokotlakých těl ventilů, ale tyto metody mají několik omezení, například jak snadné je dostat se k nástrojům a jak rychle mohou odstranit materiál. Při navrhování komplikovaných průtokových kanálů musíte často provádět kompromisy. Například křížové vrtané průchody v tělech hydraulických chlopní je třeba obrátit, ale zvrat pravého úhlu může zhoršit tekutinu a zhoršit tlakovou ztrátu.Kovový 3D tisk, na druhé straně, může vytvořit jakýkoli komplikovaný tvar přímo přidáním vrstev.
Ve většině případů:
Tělo oxidačního ventilu SpaceX: Toto tělo ventilu je důležitou součástí raketových energetických systémů. Musí být schopen zvládnout vysoké teploty a vysoké tlaky. Konstrukční tým použil technologii SLM (Selektivní laserové tání) ke kombinování tradiční sestavy vícesložkového sestavy toku do jednoho kusu. Díky tomu tloušťka stěny kanálu průtokového kanálu probíhala z 8 mm do 5 mm. Současně byla využita optimalizace topologie k omezení materiálu v oblasti nositele. Díky tomu bylo tělo ventilu o 40% lehčí a o 15 MPA silnější v kompresi.
Italská společnost AIDRO přepracovala blok hydraulického ventilu pomocí technologie 3D tisku. Nahradili tradiční kanál křížového vrhného proudu hladkým přechodovým kanálem zakřiveným průtokem, který snižuje ztrátu tlaku tekutin o 25%, snižuje objem bloku ventilu o 30%a dosahuje absorpce šoků a redukci šumu prostřednictvím vnitřní struktury mřížky.
Klíčové technické body:
Navrhování struktury, která se může podpořit: Navrhování úhlu sebepodporujícího úhlu 45 stupňů až 55 stupňů zmenšuje pravděpodobnost, že se podpůrná struktura dostane do cesty kanálu toku. Například tělo ventilu slitiny titanu má průtokový kanál, který je nakloněn při 45 stupních, takže zbytek podpěry se nestaví, když je instalován vodorovně.
Optimalizace víceosých kanálů: Použití simulace CFD (Dynamika výpočetní tekutiny) k nalezení nejlepšího poloměru zakřivení pro kanál tak, aby tekutina stále plynule plynula kolem rohů. Prostřednictvím výzkumu CFD německá společnost Samson zlepšila poloměr zakřivení kanálu toku ventilu z 3 mm na 6 mm, což snížilo tlakovou ztrátu o 18%.
Design, který funguje společně: Kombinace typických těl ventilů, která je třeba sestavit z několika částí do struktury s jedním kusem, která snižuje počet těsnicích povrchů . 3 D Tisk kombinuje 10 funkčních dílů do hydraulického těla spoileru Airbus A380, což snižuje šanci úniku o 60%.
2. může koexistovat lehká a vysoká síla: Optimalizace topologie vede ke strukturální revoluci
Tělo vysokotlakého ventilu musí být lehké, ale dostatečně silné, aby odolávalo tlaku, aby systém nevyužíval tolik energie. Tradiční design používá empirické vzorce, aby se ujistil, že všechny části jsou stejně silné. Kovové 3D tisk a optimalizační algoritmy optimalizace topologie, na druhé straně, dokážou přesně spravovat distribuci materiálů.
Ve většině případů:
Tělo hydraulické chlopně Liebherrr Aviation: Liebherr vyrobila tělo hydraulické chlopně z titanové slitiny pro Airbus A380. Pomocí optimalizace topologie se zbavili 35% ne-zátěžových materiálů, které způsobily zapalovač těla ventilu (od 2,8 kg do 1,8 kg) a silnější (od 25 MPa do 25 MPa). Tělo ventilu je vyrobeno s technologií SLM, která mu dává tloušťku vrstvy 30 μm a drsnost povrchu RA menší nebo rovná 6,3 μm. To splňuje přesné standardy pro leteckou třídu.
Tělo jaderného energetického ventilu CGN je vyrobeno z 316L z nerezové oceli a má konstrukci mřížky s proměnlivou hustotou. Díky tomu je o 28% lehčí a přitom je stále schopen odolat 15MPA tlaku. Drsnost povrchu kanálu vnitřního toku je také lepší než drsnost tradičních obráběcích procesů.
Důležité technické body:
Multi-objektivní optimalizace topologie: Genetický algoritmus nebo simulovaný algoritmus žíhání najde nejlepší rozdělení materiálu pomocí síly, tuhosti a únavové životnosti jako limity. Například Platinum BLT-S400 může najít 20 000 optimalizovaných uzlů na vrstvu a vytvářet tvary těla ventilu, které splňují specifikace ASME BPVC.
Aplikace materiálu gradientu: Můžete změnit výkon laseru nebo rychlost skenování a změnit způsob, jakým materiál funguje v různých částech stejné komponenty. Například vysoce výkonné skenování se používá na ploše těsnění povrchu těla ventilu, aby se ztěžovalo, zatímco skenování s nízkým výkonem se používá na části, která nese hmotnost k zmírnění zbytkového napětí.
Ovládání tepelného napětí: Tělesa s vysokým tlakem mohou změnit tvar během výrobního procesu kvůli tepelnému napětí, proto je pro omezení selhání nutná optimalizace procesu. EOS M 400-4 používá dynamickou technologii kontroly výkonu laseru, která snižuje velikost tepelné zóny (HAS) tělesa ventilu slitiny titanové z 0,5 mm do 0,2 mm a snižuje zbytkové napětí o 40%.
3. kanálové výkonové přeskočení: Změna z „kanálu“ na „systém řízení tekutin“
Je obtížné získat přesnou kontrolu nad výkonem dynamiky tekutin s tradičním návrhem kanálu karoserie ventilu, protože používá empirické vzorce. Inovativní návrhy, jako jsou mikrokanály a kanály biomimetického toku, mění tělo ventilu z „pasivního kanálu“ na „aktivní systém řízení tekutin“.
Ve většině případů:
Servo ventil Domin Fluid Power je 3D tiskový servo ventil, který byl přepracován britskou společností Domin Corporation. Konstrukce kanálu kanálu s biomimetickým žraločím pleti z toho činí tekutinu tvoří stabilní tok připojený k stěně uvnitř těla ventilu. To snižuje turbulentní šumový šum o 12 dB a ztráta tlaku z 0,8 MPa na 0,5 MPa.
Hydraulická ventil Renishaw Sailboat: Renishaw vytvořil hydraulickou ventil pro plachetnici Land Rover Bar, který používá 3D tisk k vytvoření hladkého zaobleného průtokového kanálu. Díky tomu je přenos tekutin o 15% efektivnější a pomáhá plachetnici jít o 0,3 uzlů rychleji v Americe Copa.
Důležité technické body:
Vytváření mikrokanálů: Mikrokanály o průměru menší než 0,5 mm lze vyrobit s vysokým přesným laserovým skenováním, jako je rychlost skenování 20000 mm/s u zařízení Huashu High Tech FS121M-8. Například tělo lékařského ventilu má 3D vytištěné 0,3 mm mikrokanály, díky nimž je distribuce léčiva přesnější o ± 2%.
Konstrukce kanálu biomimetického toku: Použití struktur pozorovaných v přírodě, které pomáhají tekutin lépe proudit, takové listové žíly a větvení krevních cév, aby se kanály průtoku s nízkou odporem. Pennsylvánii University of Pennsylvania vytvořila hydraulickou chlopní Inconel 718, který používá návrh kanálu fraktálního toku biomimetického fraktálního toku ke snížení poklesu tlaku o 30%.
Optimalizace spojování multifyziky: Toto je proces používání dynamiky tekutin, termodynamiky a strukturální mechaniky, aby se analyzovala, jak různá pole spolu navzájem interagují, aby se získalo nejlepší výkon z konstrukce kanálu průtoku a konstrukce těla ventilu. Například, Samson používá platformu ANSYS Workbench k optimalizaci distribuce tlaku v průtokovém kanálu a tepelné napětí v těle chlopně současně.
4. inovace materiálu: Výběr nejlepšího materiálu namísto nejvíce dostupných
Při výrobě vysokotlakých těl ventilů musíte přemýšlet o mnoha věcech, jako jsou, jak jsou silní, jak dobře odolávají korozi a jak dobře drží vysoké teploty. Technologie zpracování omezuje rozmanitost tradičních materiálů, ale kovový 3D tisk může rychle ověřit a používat nové materiály.
V typickém případě:
Tělo ventilu slitiny na bázi niklu: GE Aviation vyrábí Inconel 718 tělesa ventilů slitiny pomocí konceptu laserové technologie M2. Úpravou hustoty energie laserové energie (80–120J/mm³) se hustota materiálu blíží 99,9% a zůstává při výnosové síle 1200 MPa i při vysoké teplotě 650 stupňů, což je to, co potřebují letecké motory.
Titanové hliníkové slitiny (Tial) Hydraulic Valve Body, na kterém Platinum lite a určitý výrobce automobilů pracovali společně, ovládají a fáze velmi přesně prostřednictvím 3D tisku. To snižuje hustotu těla ventilu z 4,5 g/cm³ na 3,8 g/cm³ a ​​zároveň udržuje svou sílu při 450 MPa. To pomáhá zapadat nová energetická vozidla.
Klíčové technické body:
Vytváření nových materiálů: Vytváření vysoce výkonných materiálů z slitiny změnou složení prášku (například přidáním SC, Zr a dalších prvků). Například určitá společnost vytvořila 3D tiskovou slitinu Titanium (TI-6AL-4V-0,1B), která trvá o 20% déle než běžné materiály, když jsou unaveni.
Technologie pro tisk s více než jedním materiálem: Použití více než jedné laserové hlavy nebo trysky může provádět přechody gradientu mezi různými materiály. Například tisk silné slitiny (jako je Stellite 6) na těsnicím povrchu těla ventilu a lehká slitina hliníku na hlavním těle zasáhne dobrý kompromis mezi výkonem a náklady.
Vytváření databáze materiálu: Nastavte databázi 3D výkonu materiálu specifického pro tisk, která pomůže s designem. Například databáze EOS Materials má informace o procesu a výkonu 3D tisku pro více než 200 typů kovových materiálů.