压力设备的快速成型制造，3D打印在阀门行业的应用实例

压力设备的快速成型制造，3D打印在阀门行业的应用实例

随着对数字化、流程模拟、设计和控制工程的不断研究和改进，过程自动化产品也在定期重新设计和开发。技术创新，例如现在的快速成型制造，为传统的减法制造方法带来了许多新的机遇。在本案例研究中，看看德国阀门企业SAMSON是如何应对开发采用快速成型技术制造的压力设备产品线时所面临的挑战。

1、欧洲压力设备指令

与容器、管道或非燃烧压力容器类似，阀门和最终控制元件如果承受的最大允许压力大于7.25 psi（0.5bar），则被归类为 “压力设备”。压力设备制造商必须确保其产品的安全性，同时保证欧盟市场的公平竞争。

与美国的ASME锅炉和压力容器规范 (BPVC)一样，欧洲压力容器制造商必须遵守欧洲压力设备指令 2014/68/EU (PED)，该指令规定了欧盟制造商的相关制造要求。具体的产品要求见协调产品标准，如工业阀门的 EN 16668、金属工业管道的 EN 13480 或未燃烧压力容器的 EN 13445。

这些标准通常会在适用时参考其他支持性协调标准。标准要求适用于材料特性和制造程序。对这些制造程序规定了定期审查和审核。某些危险分类（PED 类别 I 至 IV）的产品还必须通过适用的附加组织（称为指定机构组织）的认证，并贴有 CE 标志才能进入欧盟市场（类似于美国的 UL 认证）。

图1 中型阀芯的三层印刷（150 件）

图2 高负荷阀门装饰件，如分流板。

2、材料挑战

设计人员和制造商通常会根据标准要求为某个部件选择材料。这可确保所选材料符合相关标准中规定的适用安全要求和技术特性，例如确保压力设备的尺寸符合 PED 或 ASME BPVC 所要求的基本安全要求。然而，统一材料标准并不涉及可能影响材料特性的制造程序（如焊接、成型），也不涉及材料是否适合特定设备或终端应用。

这些问题必须由制造商和客户根据自己的需求分别进行评估。在出口产品时，使用统一的材料可以带来巨大的好处，确保产品符合不同司法管辖区的规范。然而，使用快速成型制造方法面临的主要挑战之一是，目前还没有针对快速成型制造材料的统一标准。

材料的化学成分由所用原料（金属粉末）决定。而金属的分子结构和机械性能则取决于用于制造坯料（半成品）的添加剂制造程序。因此，根据 PED 的规定，所有制造添加剂制造坯料的人都被视为材料制造商。而那些将快速成型坯料进一步加工成成品部件或待售最终产品的人，则被视为快速成型压力设备的设备制造商和分销商。这与制造铸件所涉及的工艺链相当。因此，其他符合 PED 的解决方案必须适用于 PED 意义上的统一材料和成品。

3、整体工艺要求

解决缺乏标准问题的一种方法是，对于未在统一材料标准中引用的材料，采用 PED 规定的替代解决方案。在这种方法中，材料是根据特殊材料评估（PMA）进行鉴定的。prEN 13445-14（标准草案）、DIN TS 17026（DIN 是德国标准协会）以及 EN 764-4 和 EN 764-5 水平标准提供了额外支持。

4、实施

对于批量生产的制造商来说，由于需要投入大量的工作和资金，根据指定机构的单个设备验证（模块 G）来评估符合性是没有意义的。如果采用快速成型技术生产的产品与传统制造的产品属于同一类别，那么即使是小批量生产，在经济上也是可行的。

图3 DN 50 PN 40 阀门、阀体和阀盖的快速制造试验批量