2027年有望迈入千亿级市场,盘点增材制造在阀门行业的应用

学术   2025-01-10 17:01   辽宁  







传统的阀门制造工艺依赖于铸造、锻造和机械加工,过程繁琐且成本较高。随着增材制造技术的成熟,为阀门制造带来了新的发展方向,尤其在定制化和快速原型制造方面展现了巨大潜力。


增材制造又称为3D打印,属于一种制造技术,依据三维CAD设计数据,采用离散材料(液体、粉末、丝等)逐层累加制造实体零件。相对于传统切削的材料去除和模具成形的材料变形,增材制造是一种“自下而上”材料累加的制造过程,在材料加工方式上有本质区别。其工作流程一般包括三维建模、分层切片、逐层打印和后处理。


2023年我国增材制造企业总营收突破400亿元,同比增长25%,近五年复合增长率高达27%。根据中国增材制造产业联盟的预测:至2027年,我国增材制造市场规模有望达千亿元级别。


增材制造技术的分类


增材制造技术根据材料和工艺的不同,可以分为多种类型。其中,熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)是最为普及的一种,适用于塑料类材料,广泛应用于快速原型制作和一些功能性零件的制造;选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)则主要用于金属和高性能陶瓷的打印,适合制造具有高强度、高温耐受性的零部件;此外,立体光刻(Stereolithography, SLA)利用光固化树脂进行打印,常用于高精度模型的制作。不同的技术适用于不同的材料和应用场景,在阀门制造中可以根据具体需求选择合适的3D打印工艺。

增材制造技术的优势


首先是设计自由度,增材制造不受传统工艺的限制,可以实现几乎任何复杂几何形状的制造,这在阀门中尤为重要,特别是对于流道复杂、形状特殊的阀门;其次,增材制造可以大幅缩短从设计到生产的周期,尤其在快速原型制作方面,设计人员可以在短时间内验证产品的可行性并进行迭代优化;此外,增材制造在材料利用率方面具有显著优势,由于其是逐层添加材料,几乎没有浪费,有助于降低生产成本并减少环境影响。

增材制造在阀门设计中的应用


快速原型制作:通过计算机辅助设计(CAD)软件生成零件的数字3D模型,并将其转换为特定的文件格式。随后利用切片软件将3D模型切割成一系列2D分层切片,3D打印机根据这些切片信息逐层构建零件,直至完成整个对象;在打印过程中,可能需要添加支撑结构以避免零件变形或翘曲。最后,对原型进行必要的后处理,如打磨、清洁和喷漆,以达到理想的表面效果。

定制化设计与小批量生产:对开发而言,在阀门创新概念或设计形成初期需要进行小批量生产试制,测试其材料、结构及密封性能。在投资昂贵的生产工序之前,可通过增材制造技术实现灵活生产,不仅可以通过实物展示而更有效的将创意或设计呈现给同事和客户,同时可以根据试制结果进行产品设计迭代,改进和完善产品性能,相对于传统工艺将节省大量的时间和费用。

复杂几何形状的实现:相较于传统方法,增材制造可以生产更为复杂的零件。由于增材制造不受传统制造业的限制,允许设计师和工程师进入一个广阔的新设计空间,对造型有更大胆的想法和尝试。创建高度复杂零件的能力意味着设计师可以创建针对其精确应用而非可制造性进行优化的零件,从而使零件比传统制造的零件性能更好。

减轻材料浪费:受传统制造过程的束缚,在设计时需要考虑产品或零件可加工实现,通常产生大量的材料浪费,而这些浪费部分是由于加工余量,另一部分是结构加工能力、加工成本的限制。目前对阀门行业而言,大部分零件的结构较为简单,且多为铸件产品,故增材制造的优势并不明显。

增材制造在阀门制造中的应用

阀门零部件的直接打印:传统阀门制造需要经过多个步骤,从铸造到机械加工,再到装配和测试,每个环节均需要高度精密的控制;而增材制造技术则可以简化这一过程,特别是在小批量高精度零件的生产过程中。利用增材制造技术,可以直接制造出阀门的零部件,只需进行关键配合位置的加工即可。如下图的手柄、压板、套筒等,甚至可以通过打印的方式一体化成型得到复杂结构,从而减少加工或装配步骤。
调节阀套筒3D打印成品
模具的快速制造:通过3D打印,可以快速制造出用于铸造或注塑的模具模型。这些模型不仅可以用于小批量生产,还可以通过模具制作过程中的快速迭代,优化模具设计和生产工艺。

金属增材制造在高性能阀门中的应用:通过选择性激光熔化(SLM)或电子束熔化(EBM)等金属增材制造技术,可以将金属粉末材料逐层熔融并固化,制造出具有复杂几何形状和高强度的金属零件。这种工艺特别适用于制造特殊材质或高温高压环境下使用的阀门,如在核电、航空航天和深海勘探等领域中使用的特种阀门。
3D打印钛材阀体

生产工艺优化与效率提升:通过与计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工程(CAE)等技术的结合,3D打印能够实现从设计到生产的无缝对接,提高生产效率。此外,3D打印能够将传统制造过程中多个步骤集成到一个流程中,从而减少生产环节、降低出错概率、提高产品一致性。尤其在一些复杂结构的阀门制造中,3D打印通过优化内部流道设计、减少零件数量和提高装配精度等优势显著提升了产品的整体性能和制造效率。

增材制造在阀门行业的挑战


材料选择和性能限制:阀门通常需要具备高强度、耐腐蚀、耐高温等特性,而现有的3D打印材料在性能上难与传统制造材料相比。例如,塑料3D打印材料在强度和耐久性方面存在局限,难以胜任高性能阀门的需求。

打印质量控制与检测技术:打印过程中可能出现的缺陷,如气孔、微裂纹和应力集中等,均会影响阀门的最终性能。为了确保打印质量,需要引入在线检测和监控技术,如光学监测、激光扫描和X射线检测等,这些技术可以实时监测打印过程中的异常并进行调整。此外,3D打印零件的后处理工艺,如热处理、去应力和表面处理等,也直接影响到最终产品的性能。

生产规模化的难题:首先,3D打印的速度较传统工艺慢,尤其在大尺寸、复杂结构的零件制造中,打印时间可能较长,影响生产效率。其次,3D打印设备和材料的成本较高,特别是在金属3D打印中,粉末材料的价格远高于传统的铸锻材料,这在大规模生产时会显著增加成本。此外,增材制造技术在大批量生产中的一致性和可靠性有待进一步验证,如何在保证产品质量的同时提高生产效率是增材制造技术实现规模化应用的关键。

法规与标准的适应性:阀门作为工业设备中的关键部件,其设计、制造和使用均受到法规和标准的严格约束。当前的制造标准大多基于传统工艺制定,增材制造技术的引入需要进行相应的适应和调整。此外,随着增材制造技术的快速发展,新的法规和标准也需及时出台,以引导行业的健康发展。

增材制造在阀门行业的未来发展方向


新材料的开发与应用:在未来,随着材料科学的进步,更多具有特殊性能的3D打印材料将被开发出来。此外,多材料打印技术的发展也将为阀门的功能集成和结构优化提供新的可能,例如在同一部件中结合不同的材料,以满足复杂工作环境的需求。

多材料与多功能打印技术的进展:多材料打印技术是增材制造未来的重要发展方向之一,可以在打印过程中使用多种材料,从而在同一部件中实现多种功能。此外,多功能打印技术的发展使得阀门制造不仅限于机械性能的提升,还可以集成传感、控制等功能,进一步提高阀门的智能化水平和使用寿命。

智能制造与增材制造的结合:增材制造作为智能制造的重要组成部分,与物联网、大数据、人工智能等技术的结合将为阀门行业带来更多的可能性。

产业链整合与全球化生产:在未来,通过增材制造实现分布式制造,即在全球各地直接打印生产所需的零部件,随后进行组装。该方法不仅可以降低物流成本,还可以根据市场需求进行灵活调整,提高响应速度。此外,随着增材制造技术的发展,阀门行业的供应链将更加紧密,材料供应商、设备制造商和终端用户之间的合作将更加深入,从而推动整个行业的协同发展。



增材制造技术的引入正在逐步改变阀门行业的设计与制造方式。尽管在材料性能、质量控制、生产规模化等方面仍面临挑战,但随着技术的不断进步和应用经验的积累,3D打印在阀门行业的应用前景将十分广阔。在未来,随着新材料、新工艺和智能制造技术的融合发展,增材制造技术有望进一步推动阀门行业的技术创新,提升产品性能和生产效率,助力制造业的转型升级。



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