3D打印一体化结构是一种具有代表性的为增材制造而设计（Design for additive manufacturing，DfAM）的结构。以增材制造的思维去设计时，需要突破以往通过铸造、压铸、机械加工制造所带来的思维限制，这个过程是充满挑战的。
根据3D科学谷的市场预测，随着结构一体化在新能源领域应用的切入，能在未来5年内跑赢市场的应用点，将实现由“点”及“面”，从一个角落瞬间“掀起”，“跳跃”起来，塑造变化的大局，而3D打印在实现结构一体化方面有着天然的成本优势，必将随着能在未来5年内跑赢市场的应用点，将实现由“点”及“面”的应用发展获得一条新的上升路线。
本期，结合费希尔控制设备国际有限公司近日（2020年9月22日）获得通过通过3D打印实现的多级阀的结构一体化制造的专利，3D科学谷与谷友共同来领略结构一体化在高附加值零件领域蕴含的颠覆潜力。
在过程控制系统中，例如通常在化工、石油、发电或其他工业流程中的分布式或可扩展过程控制系统中，通常需要降低流体的压力。然而，压力降低通常导致不想要的噪音或振动的水平增加，并且在某些情况下可能导致气蚀，更严重的也可能导致严重腐蚀。因此，过程控制系统旨在采用减少流体压力的流量减少装置，而不会产生这些不良影响。
3D打印成就复杂与一体化
泄露之痛
多级阀内件是可在高压减压应用中使用以防止气蚀的流量减小装置的示例，多级阀内件通常以阀笼和阀塞为特征，阀笼和阀塞共同限定了较长的流体流动路径，具有曲折和迷宫式结构，并具有较小的流道和紧密的间隙，从而定义了流体必须流经的多个减压级（从而降低了流体压力）。
不过当流经其中的流体是清洁的时候（例如，不包括微粒），这些多级阀内件往往会工作得很好。但是，当流体变脏（例如，包含微粒）时，必须使用具有较大流道的多级阀内件，否则流体携带的微粒可能会堵塞小流道，从而降低流量并可能损坏阀体。
当前，已经建造了用于肮脏服务应用中（即，涉及到恶劣流动条件的应用，例如，炼油厂中的催化剂细粉，发电厂中的磁铁矿，石油生产中的沙子等应用场景中）的多级阀内件。不过3D科学谷了解到由于CNC机床加工的限制，加工节流控制所需的复杂几何形状难以实现，通常需要将阀笼分成多个不同的部分，然后将它们与一个或多个密封元件组装在一起。
单一组件之美好
费希尔控制设备国际有限公司是财富500强美国爱默生电气公司的一个分部。1992年爱默生公司收购了费希尔公司，并与过程仪表领域里的另一位世界领导者-罗斯蒙特公司合并，成立费希尔-罗斯蒙特公司，以便于更好的满足用户对完成应用范围的要求和对应过程控制的需要。在2001年4月，费希尔-罗斯蒙特公司更名为爱默生过程管理。
费希尔控制设备使用3D打印-增材制造技术来制造可以实现结构一体化的多级阀。根据3D科学谷的了解，单个整体式阀笼降低了多组件阀笼存在的泄漏风险，并且消除了对密封元件和组装工序的需求。
3D打印实现一体化结构制造。来源：US0101781927B2
使用3D打印-增材制造技术创建布置在流体流量控制装置的阀体内的无堵塞结构一体化多级阀笼，一体式阀笼主体包括布置成与阀体接合的外壁以及在外壁的径向内侧间隔开的内壁。阀笼还包括：阀笼入口，阀笼入口形成在一体式阀笼主体中，并且与阀体入口流体连通；阀笼出口，形成在外壁中并且与阀体出口流体连通；多级减压流体流道形成在整体的笼体内，并在笼的入口和笼的出口之间延伸。
3D科学谷Review
附加值创造正在升级
正如ACAM德国总裁&ACAM中国董事Kristian Arntz博士于2020年8月13日科协年会高端装备产业发展论坛上主会场上关于《成就明天制造的3D打印-增材制造技术》的演讲中提到增材制造改变产品的方式是本质性的，通过3D打印实现结构一体化的组件就像是“制造业附加价值放大器”。
按照这个思维逻辑，如果我们从“制造业附加价值放大器”的角度来看，我们不难理解国际国内众多的企业纷纷尝试3D打印的背后原因：追求产品附加值的提升。从产品附加值创造的价值端发力，在3D打印所实现的结构一体化零件方面，免组装、降低泄漏风险，更复杂的流道、更紧凑、更轻量化，其中的附加值创造优势是明显的。
不过，值得注意的是，并非单独通过3D打印就可以完成多级阀的完整制造，3D打印与传统加工技术的配合是不可或缺的，在这方面，国际上GF 加工方案的增材制造解决方案致力于在车间真正实现端到端的集成，实现无缝和高效的工作流程的关键就是要对现有的软硬件环境做出调整，这是当前发挥3D打印潜力的另一块需要重视的能力建设。
总体来说，3D打印与传统加工工艺的配合共同完成第四次工业革命的进程。正如惠普的趋势报告所指出的那样，数字制造技术将通过解锁新的和扩展的软件、数据、服务和工业生产解决方案，从而提供用户理想的设计，这些解决方案可提供更多的变革性体验，并颠覆传统产业。
深入了解面向增材制造的阀体元件设计优化升级，敬请前往3D科学谷发布的《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》。
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