Làm thế nào in 3D kim loại có thể tối ưu hóa cấu trúc của các thân van áp suất- cao?

1. Phá vỡ các giới hạn của sản xuất truyền thống: tạo ra sự khác biệt lớn về số lượng độ tự do hình học
Giả mạo và gia công là các phương pháp chính được sử dụng để tạo ra các cơ thể van áp suất - truyền thống, nhưng các phương pháp này có một số hạn chế, chẳng hạn như cách dễ dàng để có được các công cụ và cách chúng có thể loại bỏ vật liệu nhanh như thế nào. Khi thiết kế các kênh dòng chảy phức tạp, bạn thường phải thực hiện giao dịch -. Ví dụ, các lối đi được khoan chéo - trong các thân van thủy lực cần được gia công, nhưng phải - xoắn góc có thể làm cho chất lỏng hỗn loạn và làm cho việc mất áp lực tồi tệ hơn.In 3D kim loại, mặt khác, có thể tạo ra bất kỳ hình dạng phức tạp trực tiếp bằng cách thêm các lớp.
Trong hầu hết các trường hợp:
Thân van oxy hóa SpaceX: Thân van này là một phần quan trọng của các hệ thống điện tên lửa. Nó cần có khả năng xử lý nhiệt độ cao và áp suất cao. Nhóm thiết kế đã sử dụng công nghệ SLM (Laser Melting) chọn lọc để kết hợp lắp ráp thành phần đa truyền thống - của kênh dòng chảy thành một mảnh. Điều này làm cho độ dày tường của kênh dòng chảy từ 8 mm đến 5 mm. Đồng thời, tối ưu hóa cấu trúc liên kết đã được sử dụng để cắt giảm vật liệu trong vùng không phải - -. Điều này làm cho thân van nhẹ hơn 40% và 15MPa mạnh hơn trong nén.
Công ty Ý Aidro đã thiết kế lại khối van thủy lực bằng công nghệ in 3D. Họ đã thay thế kênh khoan truyền thống - bằng kênh dòng chảy cong chuyển tiếp trơn tru, làm giảm 25%giảm áp suất chất lỏng, giảm 30%thể tích khối van và đạt được sự hấp thụ sốc và giảm nhiễu thông qua cấu trúc mạng bên trong.
Điểm kỹ thuật chính:
Thiết kế một cấu trúc có thể tự hỗ trợ: Thiết kế một cách tự - hỗ trợ góc 45 độ đến 55 độ khiến cấu trúc hỗ trợ sẽ ít có khả năng cản trở kênh dòng chảy. Ví dụ, thân van hợp kim Titan có kênh dòng chảy nghiêng ở 45 độ để dư lượng hỗ trợ không tích tụ khi được cài đặt theo chiều ngang.
Tối ưu hóa các kênh trục đa -: Sử dụng mô phỏng CFD (Động lực học tính toán) để tìm bán kính độ cong tốt nhất cho kênh để chất lỏng tiếp tục chảy mịn xung quanh các góc. Thông qua nghiên cứu CFD, công ty Samson của Đức đã cải thiện bán kính độ cong của kênh dòng van từ 3 mm xuống 6 mm, làm giảm 18%tổn thất áp suất.
Thiết kế hoạt động cùng nhau: Kết hợp các thân van điển hình cần được đặt với nhau từ một số bộ phận thành một cấu trúc mảnh duy nhất, cắt giảm số lượng bề mặt niêm phong . 3 d In kết hợp 10 bộ phận hoạt động vào thân máy thủy lực spoiler Airbus A380.
2. Nhẹ và sức mạnh cao có thể cùng tồn tại: Tối ưu hóa cấu trúc liên kết dẫn đến một cuộc cách mạng cấu trúc
Cơ thể van áp suất - cao cần phải nhẹ nhưng đủ mạnh để chống lại áp suất để hệ thống không sử dụng nhiều năng lượng. Thiết kế truyền thống sử dụng các công thức thực nghiệm để đảm bảo rằng tất cả các bộ phận đều mạnh mẽ như nhau. Mặt khác, in 3D và tối ưu hóa cấu trúc liên kết có thể quản lý phân phối các vật liệu khá chính xác.
Trong hầu hết các trường hợp:
Thân van thủy lực hàng không Liebherr: Liebherr đã tạo ra một thân van thủy lực hợp kim titan cho Airbus A380. Bằng cách sử dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết, họ đã loại bỏ 35% các vật liệu mang không - -, làm cho cơ thể van nhẹ hơn (từ 2,8 kg đến 1,8 kg) và mạnh hơn (từ 25 MPa đến 25 MPa). Cơ thể van được tạo ra bằng công nghệ SLM, mang lại cho nó độ dày lớp 30 μm và độ nhám bề mặt RA nhỏ hơn hoặc bằng 6,3 μm. Điều này đáp ứng các tiêu chuẩn chính xác cho lớp hàng không.
Thân van năng lượng hạt nhân CGN được làm bằng thép không gỉ 316L và có thiết kế cấu trúc mạng mật độ thay đổi. Điều này làm cho nó nhẹ hơn 28% trong khi vẫn có thể chịu được 15MPa áp lực. Độ nhám bề mặt của kênh dòng chảy bên trong cũng tốt hơn so với các quy trình gia công truyền thống.
Điểm kỹ thuật quan trọng:
Multi - Tối ưu hóa cấu trúc liên kết khách quan: Thuật toán di truyền hoặc thuật toán ủ mô phỏng tìm thấy phân phối vật liệu tốt nhất bằng cách sử dụng sức mạnh, độ cứng và tuổi thọ mỏi làm giới hạn. Chẳng hạn, BLT bạch kim - S400 có thể tìm thấy 20.000 nút được tối ưu hóa trên mỗi lớp và tạo các hình dạng cơ thể van đáp ứng các thông số kỹ thuật của ASME BPVC.
Ứng dụng vật liệu gradient: Bạn có thể thay đổi công suất laser hoặc tốc độ quét để thay đổi cách thức vật liệu hoạt động trong các phần khác nhau của cùng một thành phần. Chẳng hạn, quá mức - quét nguồn được sử dụng trên diện tích bề mặt niêm phong của thân van để làm cho nó khó hơn, trong khi thấp - quét năng lượng được sử dụng trên phần không chịu trọng lượng để giảm căng thẳng dư.
Kiểm soát ứng suất nhiệt: Cao - Các cơ thể van áp suất có thể thay đổi hình dạng trong suốt quá trình sản xuất do ứng suất nhiệt, do đó cần tối ưu hóa quá trình để cắt giảm các lỗi. EOS M 400-4 sử dụng công nghệ điều khiển năng lượng laser động, cắt giảm kích thước của vùng nhiệt bị ảnh hưởng (HAZ) của thân van hợp kim Titan từ 0,5mm xuống 0,2mm và giảm áp lực dư 40%.
3. Hiệu suất kênh LEAP: Sự thay đổi từ "kênh" thành "hệ thống điều khiển chất lỏng"
Thật khó để có được sự kiểm soát chính xác đối với hiệu suất động lực học chất lỏng với thiết kế kênh lưu lượng cơ thể van truyền thống vì nó sử dụng các công thức thực nghiệm. Các thiết kế sáng tạo như vi mạch và các kênh dòng chảy sinh học biến thân van từ "kênh thụ động" thành "hệ thống kiểm soát chất lỏng hoạt động".
Trong hầu hết các trường hợp:
Van servo Power Domin Fluid là một van servo in 3D - được thiết kế lại bởi Công ty UK Domin Corporation. Thiết kế kênh dòng chảy da cá mập sinh học làm cho chất lỏng tạo thành một bức tường ổn định - dòng chảy bên trong thân van. Điều này cắt giảm tiếng ồn hỗn loạn bằng 12dB và mất áp suất từ ​​0,8MPa xuống 0,5MPa.
Renishaw Sailboat Van thủy lực: Renishaw đã tạo ra một van thủy lực cho thuyền buồm Land Rover Bar sử dụng in 3D để tạo ra một kênh dòng chảy tròn, mượt mà. Điều này làm cho việc truyền chất lỏng hiệu quả hơn 15% và giúp thuyền buồm đi nhanh hơn 0,3 hải lý ở Copa America.
Điểm kỹ thuật quan trọng:
Tạo các vi mạch: Microchannels có đường kính nhỏ hơn 0,5mm có thể được thực hiện với quá trình quét laser chính xác cao -, như tốc độ quét 2000mm/s của thiết bị FS121M-8 của Huashu High Tech. Ví dụ, một cơ quan van y tế có 3D được in 0,3mm vi mạch làm cho phân phối thuốc chính xác hơn ± 2%.
Thiết kế kênh dòng chảy sinh học: Sử dụng các cấu trúc được thấy trong tự nhiên giúp chất lỏng chảy tốt hơn, các tĩnh mạch lá và sự phân nhánh của mạch máu như vậy, để tạo ra các kênh dòng chảy có điện trở thấp. Đại học Pennsylvania đã sản xuất Van thủy lực hợp kim Inconel 718, sử dụng thiết kế kênh dòng chảy fractal sinh học để giảm áp suất giảm 30%.
Multi - Tối ưu hóa khớp nối vật lý: Đây là quá trình sử dụng động lực học chất lỏng, nhiệt động lực học và cơ học cấu trúc với nhau để phân tích cách các trường khác nhau tương tác với nhau để có được hiệu suất tốt nhất ra khỏi kênh dòng chảy và cơ thể van. Chẳng hạn, Samson sử dụng nền tảng ANSYS Workbench để tối ưu hóa phân phối áp suất trong kênh dòng chảy và ứng suất nhiệt trong thân van cùng một lúc.
4. Đổi mới vật chất: Chọn tài liệu tốt nhất thay vì có sẵn nhất
Khi tạo ra các cơ thể van áp suất -, bạn cần suy nghĩ về rất nhiều thứ, như chúng mạnh đến mức nào, chúng chống lại sự ăn mòn tốt như thế nào và chúng giữ được nhiệt độ cao như thế nào. Công nghệ xử lý giới hạn sự đa dạng của các vật liệu truyền thống, nhưng in 3D kim loại có thể nhanh chóng xác minh và sử dụng các vật liệu mới.
Trong một trường hợp điển hình:
Niken - Cao dựa trên - Cơ thể van hợp kim nhiệt độ: GE Hàng không tạo ra các cơ thể van hợp kim Inconel 718 sử dụng công nghệ M2 khái niệm Laser M2. Bằng cách điều chỉnh mật độ năng lượng laser (80 Hàng120J/mm³), mật độ vật liệu đạt tới 99,9% và ở lại cường độ năng suất 1200MPa ngay cả ở nhiệt độ cao 650 độ, đó là những gì động cơ hàng không cần.
Cơ thể van thủy lực hợp kim nhôm (tial) mà Platinum Lite và một nhà sản xuất xe hơi đã làm việc cùng nhau điều khiển và các pha rất chính xác thông qua in 3D. Điều này làm giảm mật độ của thân van từ 4,5g/cm³ xuống 3,8g/cm³ trong khi giữ sức mạnh của nó ở 450MPa. Điều này giúp làm cho xe năng lượng mới nhẹ hơn.
Điểm kỹ thuật chính:
Tạo các vật liệu mới: Tạo cao - Vật liệu hợp kim hiệu suất bằng cách thay đổi thành phần của bột (ví dụ: bằng cách thêm SC, ZR và các yếu tố khác). Chẳng hạn, một công ty nhất định đã thực hiện in 3D - Hợp kim Titanium cụ thể (Ti-6AL-4V-0.1B) kéo dài hơn 20% so với vật liệu thông thường khi họ mệt mỏi.
Công nghệ in với nhiều hơn một vật liệu: sử dụng nhiều đầu laser hoặc vòi phun có thể thực hiện chuyển đổi độ dốc giữa các vật liệu khác nhau. Ví dụ, in hợp kim mạnh (như Stellite 6) trên bề mặt niêm phong của thân van và hợp kim nhôm nhẹ trên cơ thể chính gây ra sự thỏa hiệp tốt giữa hiệu suất và chi phí.
Xây dựng cơ sở dữ liệu vật liệu: Thiết lập cơ sở dữ liệu in 3D - Hiệu suất vật liệu cụ thể để giúp thiết kế. Chẳng hạn, cơ sở dữ liệu Vật liệu EOS có thông tin về quy trình in 3D và hiệu suất cho hơn 200 loại vật liệu kim loại.