生产耐极端环境的坚固零件，阀芯3D打印案例洞悉粘结剂喷射颠覆制造的潜力
液压阀芯是关键的石油和天然气应用零件，可帮助调节控制阀的流量。IN625 是这些阀芯的基本材料，可确保使用寿命并承受石油和天然气中的高腐蚀性环境。不过这种阀芯的加工充满挑战，本期，3D科学谷结合Desktop Metal通过粘结剂喷射3D打印技术来制造液压阀芯方面的探索，与谷友一起来洞悉粘结剂喷射颠覆制造的潜力。
借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印
©Desktop Metal
实现精密制造
突破传统加工挑战
根据3D科学谷的了解，当使用传统铸造+CNC机加工制造方法生产时，液压阀芯通常必须由多个机加工部件组装而成。由于需要多个零件组成，制造过程要研究零件加工的每一工序，以确保同轴度、圆跳动和圆柱度的要求，保证零件的合格率。
借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印
©3D科学谷《上篇-3D打印与液压白皮书2.0》，《下篇-3D打印与液压白皮书2.0》
机加工阀芯的挑战还来自于刀具的选择，在加工难加工材老的时候，刀片的耐磨度要高，这样可以减少更换刀具的次数，否则刀具磨损后加工出的内孔尺寸不稳定，造成不合格的产品，带来进一步的浪费。
此外在上游的铸造过程也充满挑战，根据3D科学谷的了解，铸造阀芯的过程中存在铸造气孔、夹砂和杂质等缺陷挑战，造成阀芯外壁的裂纹和微孔，使得阀芯的生产率低、合格率低。同时砂型铸造精度低及泥芯偏置，导致铸造阀芯的壁厚严重不均匀及加工余量很大，后期CNC机加工的过程中材料消耗多。
借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印，由于无需用户输入即可一次打印数千个，从而显着降低了装配劳动力成本。
借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印
©Desktop Metal
Desktop Metal P1设备技术参数©Desktop Metal
根据3D科学谷的市场了解，液压阀的阀芯主要有滑阀和锥阀两种，阀芯在阀体内需要运动，因此间隙的大小需要保证良好的密封性和较小的运动阻力。加工过程是充满挑战的，其中在液压比例阀的加工中，譬如如果阀芯的圆柱度变形误差跳动，阀芯与阀孔的配合中，两者之间控制间隙量沿圆周分布不均匀，易造成润滑膜破坏，产生阀芯磨损和运动卡滞力干扰，这个问题在液压加工工艺方面一直是一大挑战。
液压阀体与阀芯的公差与配合mm© 《液压阀与阀芯的加工》
阀芯与阀孔的配合表面一般要求表面粗糙度Ra值为0.1~0.2μm。考虑到孔的加工比外圆困难，一般规定阀芯外圆的表面粗糙度Ra值为0.1μm，阀孔内圆表面的Ra值为0.2μm。
根据3D科学谷的市场观察，2021 年 10 月 14 日，大规模生产和增材制造解决方案商Desktop Metal宣布已批准将镍合金IN625 (IN625)用于其制造系统（Production System）平台，该平台利用正在申请专利的 Single Pass JettingTM (SPJ) 技术旨在实现金属增材制造行业的快速构建速度。
IN625 是一种镍铬高温合金，具有高强度、抗腐蚀和抗氧化性、具有出色的可焊性以及承受载荷部件的极端高温的能力。IN625 是一种广泛用于高温航空航天应用的关键材料，同时其在一系列温度和压力下的耐腐蚀性也使其成为船舶、发电和化学加工应用的绝佳选择。
根据3D科学谷的市场观察，收购exone后，Desktop Metal 预计在未来几个月内其的材料组合将继续快速扩展，以此加快部署Desktop Metal的增材制造AM 2.0 解决方案，以在越来越多的行业和应用中大规模生产最终用途的金属零件。
Desktop Metal 的材料科学团队根据 ASTM 测试要求在Desktop Metal的生产系统上打印了合格且完全表征的 IN625。在Desktop Metal的生产系统平台上打印IN625 零件不仅使得多个零件作为结构一体化零件制造出来，而且最大限度地减少了材料浪费，与传统制造方法相比，生产时间和零件成本也显着降低。
Desktop Metal的生产型3D打印机
通过粘结剂喷射制造阀芯如何与后期的机加工精加工进行配合，以达到阀芯与阀孔需要的表面质量？这是值得探讨的粘结剂喷射走向产业化之路面临的挑战之一。
此外，我们很容易好奇IN625镍铬高温合金作为难加工材料，通过粘结剂喷射3D打印技术制造将给制造业带来怎样的颠覆？
突破更多
除了液压阀芯，IN625镍铬高温合金的应用场景很多，根据3D科学谷的了解，包括如下：
Desktop Metal的生产型3D打印机
涡轮叶片
涡轮叶片是航空航天工业燃气轮机或蒸汽轮机中使用的关键部件。由于其复杂的几何形状，包括优化空气动力学的有机曲线和确保叶片保持最佳温度的复杂冷却通道，这些叶片是批量生产中最具挑战性的部件之一。Desktop Metal的生产系统可以 3D 打印此类几何形状，否则使用传统制造方法进行生产将具有挑战性，并且需要先进的铸造和机械加工技术。IN625 是这些叶片的理想材料，因为它具有高拉伸、蠕变和断裂强度、疲劳和热疲劳强度以及耐腐蚀性。
阀体
阀塞用于调节化学加工环境中的强腐蚀性流体，在这些环境中，IN625 在一定温度范围内的耐腐蚀性使 IN625 成为绝佳的材料选择。传统上，这些零件将使用铸造生产，然后是为了得到关键尺寸精度的CNC后加工步骤。由于 IN625 是一种难以加工的材料，并且零件具有复杂的几何形状和有机曲线，因此传统的制造工艺将非常昂贵，而且模具交货时间长。Desktop Metal的生产系统可以按需生产多种配置的阀体，而无需为每种配置配备独特、昂贵的铸造工具，从而大大降低了生产成本。
内部燃烧区零件
飞机发动机中使用的燃烧区零件通常具有极其复杂的几何形状，这超出了大多数机加工车间的能力，并且需要多种加工设置和高级 CAM 编程。使用Desktop Metal的生产系统，该部件无需任何模具即可打印成近净形状，并且只需最少的加工设置即可在短短几个小时内修改关键的内部尺寸。此外，由于该燃烧部件在燃烧阶段承受极高的力和温度，因此 IN625 是理想的材料选择，因为它在这些环境中具有令人难以置信的材料特性。
四通阀壳
发电厂中用于处理腐蚀性流体的阀体通常具有复杂的内部特征，这使得它们难以或不可能使用传统制造工艺作为单个组件进行制造。IN625 是这些外壳的关键材料，因为它具有耐用性和耐腐蚀性。Desktop Metal的生产系统的SPJ 技术喷射使得该组件可实现结构一体化，减少零件数量、组装劳动时间和生产外壳的成本。
材料将释放3D打印产业化空间，根据3D科学谷的了解，Desktop Metal的生产系统材料库除IN625外，还包括17-4PH不锈钢、316L不锈钢、4140低合金钢，均已通过Desktop Metal认证。该平台还支持多种客户合格材料，包括银和金，此外，Desktop Metal 计划在其产品组合中添加更多金属，包括工具钢、不锈钢、高温合金、铜等。
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