3D打印技術(shù)在泵閥行業(yè)的機會何在？

魔猴君  行業(yè)資訊   2461天前

包括互聯(lián)網(wǎng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、電阻式和電容式觸摸屏技術(shù)等在內(nèi)的創(chuàng)新，已經(jīng)打斷了傳統(tǒng)技術(shù)和工藝的發(fā)展進(jìn)程。過去30年間，被稱為增材制造的3D打印也為制造業(yè)帶來了變革。從小型上釉陶器到3D打印房屋，增材制造技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。

3D打印是增材制造的一個分支，它還包括快速成型、直接數(shù)字化制造、分層制造和增材制備。增材制造通過塑料、金屬、混凝土等各種材料，有一天，甚至是人體組織材料的逐層添加，獲得三維物體。一旦制造出CAD模型，增材制造設(shè)備就可以導(dǎo)出模型中的數(shù)據(jù)，按照要求逐步將粉末、線材、片材或其它材料添加上去，最終制造出三維對象。

增材制造的早期應(yīng)用僅限于快速成型和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如3D打印義肢和腎臟。隨著工藝的不斷演變， 3D打印技術(shù)給不同終端用戶行業(yè)帶來了革命性的變革。而不同原材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乙烯醇塑料（PVA）、聚碳酸酯（PC）、尼龍、樹脂、不銹鋼、鈦和其它金屬材料的使用，則進(jìn)一步推動了3D打印技術(shù)向各個終端用戶行業(yè)進(jìn)軍。

工藝和原材料的改進(jìn)拓展了3D打印技術(shù)的應(yīng)用，而3D打印技術(shù)本身的基本工作原理更是為制造商提供了比傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝更大的優(yōu)勢。

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

一般而言，3D打印技術(shù)的主要優(yōu)點包括：方便加工復(fù)雜形狀部件、加快產(chǎn)品上市、削減制造成本、個性化定制和轉(zhuǎn)移風(fēng)險等。因為3D打印可以生產(chǎn)具有復(fù)雜設(shè)計的部件和產(chǎn)品，而且，將計算機輔助設(shè)計（CAD）繪圖與3D打印機相連接，可以讓生產(chǎn)商按照復(fù)雜形狀一層層添加材料。它消除了傳統(tǒng)加工工序，如銑、車、鉆，也不再需要數(shù)控機床、激光切割、電化學(xué)腐蝕等先進(jìn)機加工技術(shù)，還極大縮短了設(shè)備的生產(chǎn)準(zhǔn)備時間和換批時間。原來組裝生產(chǎn)線需要花費數(shù)周才能生產(chǎn)出的部件和產(chǎn)品，有了3D打印技術(shù)后，只需要幾天即可完成。另外，與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印技術(shù)還縮短了30%-50%的模具制造時間。

從成本來看，3D打印技術(shù)不再需要傳統(tǒng)制造所需的各種昂貴部件，模具成本、生產(chǎn)準(zhǔn)備成本、人工成本、原材料或邊角料的浪費也因為3D打印而得以避免。而且，3D打印產(chǎn)品報廢成本較低，大幅削減了生產(chǎn)商快速原型制造的成本風(fēng)險。

3D打印因其確定的優(yōu)勢被各個終端應(yīng)用行業(yè)的制造商不同程度地用在生產(chǎn)中。目前，3D打印在醫(yī)療保健行業(yè)的應(yīng)用還局限于義肢和器官的打印，而汽車、航空航天、建筑等行業(yè)則將3D打印技術(shù)從原來的快速成型擴大到終端產(chǎn)品的生產(chǎn)中。但是，成熟的行業(yè)如泵閥領(lǐng)域此前并不急于采用3D打印技術(shù)，直到最近，才開始考察3D打印技術(shù)的應(yīng)用可能。

泵閥行業(yè)為何并不急于使用3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)在泵閥行業(yè)得到完全的使用還存在著自身的壁壘，這推遲了這種技術(shù)的應(yīng)用。除了3D打印技術(shù)在原型制造方面的局限，其它還有一些因素限制了泵閥行業(yè)對3D打印技術(shù)的應(yīng)用，包括材料選擇范圍的局限性、不具備規(guī)模優(yōu)勢、存在知識產(chǎn)權(quán)侵權(quán)和網(wǎng)絡(luò)安全的風(fēng)險。

起初，3D打印原材料局限于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乙烯醇塑料（PVA）、聚碳酸酯（PC）和其它類型的塑料及樹脂。這些原材料因為缺乏承受泵閥工況中的流體堿度、蒸汽壓力、工作溫度及其它因素所需的必要的機械性能，限制了泵閥生產(chǎn)商采用3D打印技術(shù)。

其次，對于從事泵閥這樣中等至大規(guī)模生產(chǎn)的制造商而言，傳統(tǒng)制造技術(shù)具有規(guī)模優(yōu)勢。這也導(dǎo)致3D打印技術(shù)只能用于原型制造或者僅用于生產(chǎn)替換產(chǎn)品和零部件的場合。

再者，3D打印技術(shù)嚴(yán)重依賴于數(shù)字化信息，如CAD文件、在線設(shè)計以及向3D打印企業(yè)的文件傳送，讓數(shù)據(jù)盜竊和知識產(chǎn)權(quán)侵犯有機可趁。成熟的泵閥行業(yè)一直在積極尋求通過技術(shù)優(yōu)勢獲得競爭力，而對于將將技術(shù)競爭力暴露給競爭對手和業(yè)內(nèi)其它企業(yè)的擔(dān)憂，毫無疑問阻礙了3D打印技術(shù)的應(yīng)用。另外，3D打印工藝如光固化快速成形（SLA）、熔融沉積成型（FDM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）的專利許可分別于2004年、2009年、2014年到期，也讓泵閥生產(chǎn)企業(yè)認(rèn)為這項技術(shù)看起來不像是有利可圖的投資。

泵閥生產(chǎn)企業(yè)采用3D打印技術(shù)的機會何在？

隨著工藝和原材料機械性能的優(yōu)化，3D打印技術(shù)已經(jīng)可以滿足泵閥生產(chǎn)企業(yè)的要求。而市場對于幾何形狀復(fù)雜、高能效、高成本效益產(chǎn)品的需求，也推動泵閥生產(chǎn)企業(yè)開始考慮挖掘3D打印技術(shù)的優(yōu)勢。再者，過去多年來，3D打印技術(shù)也已經(jīng)通過技術(shù)的不斷演進(jìn)，克服了自身的局限，為泵閥生產(chǎn)企業(yè)開啟了新的機會。

首先是實現(xiàn)了量產(chǎn)。量產(chǎn)曾經(jīng)是3D打印技術(shù)市場進(jìn)入的壁壘，但通過將多個小部件整合成一個大的部件進(jìn)行生產(chǎn)，革新了供應(yīng)鏈的面貌。如，可以用3D打印技術(shù)打印出具有16個零部件的直升機發(fā)動機，而傳統(tǒng)工藝需要生產(chǎn)900個零部件。

第二，知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)工作有了進(jìn)展。保護(hù)3D打印CAD文檔對于生產(chǎn)企業(yè)至關(guān)重要?，F(xiàn)在已經(jīng)有多種方法來保護(hù)CAD文檔或者設(shè)計本身。包括與3D打印服務(wù)提供商簽署信息安全的NDA（保密）文件、不同專利和版權(quán)法可以為終端用戶提供設(shè)計、打印對象的專利和版權(quán)保護(hù)等。

而對于已經(jīng)使用數(shù)十年、設(shè)計圖紙已經(jīng)丟失的老泵而言，逆向工程則可以幫助他們重新制造出所需的產(chǎn)品。

通常，泵的使用壽命為15年至20年。顯然，有些終端用戶目前還在運行著數(shù)十年的老泵。3D打印技術(shù)可以幫助他們進(jìn)行逆向工程，特別是在泵的原始設(shè)計圖紙已經(jīng)遺失的情況下，更是如此。因為3D掃描技術(shù)可以讓終端用戶通過掃描產(chǎn)品，重新獲得CAD設(shè)計文檔，并由3D打印服務(wù)提供商打印出來，終端用戶因此可以制造出所需的產(chǎn)品、備件或組件。

3D打印技術(shù)在液壓領(lǐng)域的應(yīng)用

高壓問題阻礙了金屬3D打印技術(shù)在液壓領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，但從設(shè)計的角度來看，有些特殊應(yīng)用還是可以借助于3D打印部件的幫助的。液壓技術(shù)的一大優(yōu)勢是功率密度高。液壓泵體積通常只有驅(qū)動電機很小的一部分，相對于汽油或柴油發(fā)動機而言，液壓泵就顯得更微小了。但液壓泵更大的優(yōu)勢在于，在作動器的配合下，雖然液壓缸的直徑只有數(shù)英寸，但可以產(chǎn)生舉起幾千磅、壓碎石頭和混凝土或者將高強鋼打造成堅固部件的力量。

液壓系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是對于方向、速度、扭矩和力的控制能力。不管是簡單的手動閥，還是精密的電子控制自動閥，均是如此。過去，電子控制液壓閥在不斷取得進(jìn)步，但制造閥的工藝本身并沒有太大變化，目前，這一局面也在改變。

插裝閥技術(shù)被廣泛用于將多種控制功能集成到單個多支管管中。相比傳統(tǒng)采用直線式安裝閥門、軟管和連接器的方式相比，在多支管內(nèi)集中多個閥門可以大幅節(jié)約空間、重量和成本。但是插裝閥和多支管（集成液壓回路）的空間和重量節(jié)約優(yōu)勢還有改進(jìn)的余地。這是因為必須定位多支管中的許多通道，以防止通道被交叉鉆孔，另一方面，還需要在不同通道間提供足夠的材料，以確保強度足夠。

3D打印通過精確定位需要設(shè)置的流通管道的位置、形狀和大小，克服了這些局限。這意味著流道可以比傳統(tǒng)多支管更為精確的方式靠近儀器布置，從而使得最終部件尺寸更緊湊、更輕巧。而且，連接兩個或多個內(nèi)部管路的通道不需要從多支管外面進(jìn)行機加工，從而避免了后續(xù)需要堵塞以防止液體流出的麻煩。

但是，3D打印不只限于多支管的使用。閥件本身也因3D打印而受益。如，閥體通常包含環(huán)形流動路徑，這主要是因為機床采用旋轉(zhuǎn)切削工具所致。而用方形截面代替圓形流道可以增加20%的流量，因為與相同寬度的圓相比，正方形的面積更大。

應(yīng)用案例

這種3D打印的液壓閥體是由不銹鋼制成，用于控制單只工作氣缸。該工藝采用計算機控制的激光熔覆技術(shù)，將不銹鋼粉末逐層熔融堆疊而成。Aidro SrL是一家專門設(shè)計和生產(chǎn)傳統(tǒng)及3D打印液壓部件的意大利公司?？偨?jīng)理Alberto Tacconelli認(rèn)為，3D打印部件非常適用于特殊應(yīng)用?！坝迷霾闹圃旒夹g(shù)可以定制生產(chǎn)出更為小巧、質(zhì)輕的部件或產(chǎn)品，同時效率或者性能往往要高于用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的液壓部件。”

因為能夠按照需要生產(chǎn)出更為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和通道，增材制造非常適用于多支管的設(shè)計和生產(chǎn)。閥體的內(nèi)部通道經(jīng)過優(yōu)化后，可以在更小的空間內(nèi)獲得更高的流量。而且，由于不需要進(jìn)行額外的鉆孔，所以也消除了滲漏的弊端。

3D打印不受傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制，可以生產(chǎn)出非傳統(tǒng)形狀的部件。其好處是像這樣的方口閥芯部件可以獲得比同樣寬度的圓口閥芯更高的流量。3D打印技術(shù)應(yīng)用于液壓領(lǐng)域的主要優(yōu)勢在于：實現(xiàn)用傳統(tǒng)技術(shù)不可能實現(xiàn)的概念；節(jié)約重量、空間、材料；獲得新的結(jié)構(gòu)，減少了線路連接的復(fù)雜性；快速原型制造，同一個項目可能有多個不同的原型；生產(chǎn)時間短，可能只需要數(shù)小時，而不是幾天；可選擇不同材料：AISI 304和316L 不銹鋼、鋁、鋁&鈦合金、以及其它還在開發(fā)中的材料；高性能，消除了潛在的滲漏風(fēng)險。

來源： 現(xiàn)代激光工業(yè)