近日，奥地利焊接技术领先企业Fronius International与Linde Engineering、MIGAL.CO和TÜV SÜD Industrie Service等多家机构合作，顺利完成了一款3D打印的压力容器组件的认证。这一合作项目是德国标准化协会（DIN）下属工作组的一部分，旨在评估和改进增材制造（3D打印）在压力设备生产中的应用，特别是在非加热压力容器部件上的可行性。
一
推动3D打印技术应用标准化
该工作组致力于测试新草案标准《prEN 13445-14》的适用性，旨在为非加热压力容器部件制定更为严格的制造规范。在项目中，各合作方在材料鉴定、设计评审、工艺验证、增材制造、组件和压力测试等各个环节发挥了专业优势，确保了整个工艺链的完整性与可靠性。
在项目实施过程中，Fronius等公司制定了具有约束力的增材制造程序规范（AMPS），为未来类似应用提供了明确的操作框架。林德公司Kati Schatz博士指出，尽管该标准仍需进一步完善，但它已经为3D打印功能性压力设备提供了必需的安全性和质量标准，具有重要的指导意义。
二
压力容器的设计和3D打印
该团队的压力容器部件是一款采用3D打印的管分支，该管分支焊接在传统制造的基管上。团队选择铝合金作为材料，因其在低至-273°C的低温环境下表现出卓越的强度和韧性。
然而，焊接铝合金并非易事，焊接过程面临诸多挑战。为了保证焊接质量，团队需要精确选择工艺和填充材料，以满足严格的直径和化学成分公差，并尽量减少氢夹杂。此外，焊丝的质量要求极高，必须确保无缺陷并整齐地缠绕在线轴上，避免在3D打印过程中出现问题。
MIGAL.CO的首席执行官Robert Lahnsteiner强调，该项目所用材料不仅具备高性能，还具备可持续性，其碳足迹相对较低——每公斤焊丝的二氧化碳排放仅为3.8公斤，低于国际平均水平的四分之一。
三
高精度3D打印与焊接技术
在压力容器的设计和制造过程中，团队致力于优化基管和3D打印分支组件之间的过渡流动和拓扑结构。具体来说，设计中确定了三种不同的壁厚：基管为8毫米，过渡段为14毫米，3D打印分支组件为5毫米。为实现这一目标，团队选择了Fronius的CMT技术，该技术满足了高沉积率、减少热量、确保焊接熔合以及对焊枪和组件之间距离变化不敏感的基本要求。
此外，Fronius的先进机器人焊接技术还通过精确规划焊接和3D打印工具路径，在制造过程中实施实时监控。通过Fronius的WireSense传感器，团队可以实时扫描组件并调整工艺，以确保焊接的准确性，并尽可能减少几何偏差。同时，WeldCube焊接数据管理软件也在全过程中发挥了重要作用，监控AMPS中指定的参数限制，确保工艺的稳定性。
四
严格测试与最终认证
完成3D打印后的压力容器组件，首先经过了全面的无损检测，包括视觉检查、尺寸测试、体积测试和表面检查。随后的破坏性测试包括化学分析、拉伸试验、弯曲评估等，全面验证了组件的机械强度和结构完整性。更重要的是，团队还进行了水压和爆裂测试，确保组件在高压环境下的安全性。
除了常规的机械性能测试外，金相分析也在项目中发挥了至关重要的作用，重点检查了传统制造和3D打印材料连接部分的质量，确认了工艺过程中的潜在缺陷，并与其他测试数据进行了交叉验证。最终，经过严密的测试和评估，3D打印的压力容器组件顺利通过了认证，符合欧洲压力设备指令2014/68/EU的相关要求。
这一成果标志着3D打印技术在高标准工业应用中的突破，尤其是在压力容器等关键设备的制造中，具有重要的里程碑意义。Fronius的研发工程师Manfred Schörghube表示，认证流程为3D打印金属部件在工厂和集装箱建造等领域的应用提供了有力的支持和信心，预计这一技术将在未来得到更广泛的应用。
值得注意的是，除去压力容器项目，3D打印的应用标准也在多个领域不断扩展。例如，国际标准化组织（ISO）在2023年发布了新的3D打印PLA长丝标准（ISO 5425:2023），以确保该材料在打印过程中的一致性和质量控制；此外，2023年，ISO还发布了一项新的建筑3D打印标准，专门针对建筑领域的增材制造技术，为确保建筑应用的质量、安全和效率提供了新的规范。
随着3D打印技术的不断发展，相关的行业标准也将在不断完善中为全球制造业提供更加坚实的技术支撑。
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