3D打印泄压安全阀的分析和验证

多年来，3D打印已被证明是一种非常方便的技术，可用于制造更换和 机械部件，如手动水泵，变速箱，齿轮和阀门。今年，题为“3D打印安全阀分析和验证”的硕士论文题目，爱荷华州北部大学技术系的学生John Anthony Dutcher III使用SLA 3D打印制作内部原型正排量泵的减压阀。

摘要指出，“增材制造允许更快，更低成本的产品开发，包括定制，在使用点打印，以及每批产量的低成本。”该研究使用Stereolithography生产的原型来开发对现有产品的改进，即正排量泵的内部减压阀。在这项研究中开发并测试了四个3D打印原型组件。减压阀组件由增材制造生产的压力容器部件组成，后处理，并安装在正排量泵上，无需额外的加工。使用计算流体动力学模拟分析原型设计以增加通过阀门的流量。通过性能测试验证了模拟，以将开裂减少到阀的完全旁通压力范围。通过减小阀的这个操作范围，可以降低泵驱动系统的功率需求，从而提高泵驱动系统的能量效率。

3D打印安全阀的性能测试测量了泵流量，阀内的提升阀运动以及与现有应用类似的操作条件下的排出压力。Stereolithography原型组件表现非常好，表明阀门开裂至完全旁通阶段的压差降低了56%。该研究证明了增材制造的生产部件在压力容器应用中取代现有金属部件的短期能力。可以降低泵驱动系统的功率要求，从而提高泵驱动系统的能效。

一个多世纪以前开发的正排量泵内部的齿轮能够克服现有的性能限制，但它绝不是完美的。这些泵需要一个内部安全阀，可以防止过大的压力；如果排放流量减少，过压系统可能会失效。

“这项研究的主要重点是研究用于正排量泵的内部安全阀的性能，提出基于流动模拟改进阀门开裂至完全旁通压力范围的流动条件，并通过验证性能改进3D打印原型。”Dutcher写道。

SLA零件生产多年来，这些正排量泵中的内部安全阀的设计没有太大变化。但是通过使用计算机模拟，可以修改和优化设计以使部件更有效。正如他在论文中所写，Dutcher的研究验证了3D打印原型，使用计算流体动力学模拟和性能测试，“在对现有产品进行改进的设计开发中”，并且还表明成本和时间都可以通过使用3D打印来制造阀门。

“增材制造具有定制的优势，允许进行设计变更。”Dutcher写道。

“开发可在使用点制造的可定制的最终用途组件，允许为压力容器应用生产特定应用的产品。”

使用SLA技术进行3D打印的阀门原型显示出可以减少开裂量，从而完全绕过操作内部安全阀所需的阶段压差。FDM 3D打印用于制作安装支架，将LVDT传感器连接到阀门原型上；该传感器在测试期间测量提动阀(内部装置在密封其表面的安全阀中)的运动。

组装的参考阀扩展

在他的论文中，Dutcher想要确定3D打印是否可以成功地用于生产正排量泵的测试阀组件，如果阀门的几何形状能够根据流动条件进行优化以减少裂缝，并且如果3D打印原型阀的性能与现有的传统制造方法相同。最终，虽然他确实回答了这些问题，并证明了3D打印确实在开发新产品方面确实有应用，但他的研究为改进产品的现有设计提供了可行的概念证明。

“3D打印原型的开发是为了降低原型测试的成本和交付时间。”Dutcher写道。

“增材制造允许定制的设计排列的灵活性提供了并行验证多个产品设计的机会。”

SLA支持结构通过使用3D打印来创建原型，Dutcher能够同时开发出几种不同的设计概念，而不会被传统制造方法带来的常规障碍所困扰。SLA 3D打印还可以生产具有“加工零件尺寸公差”的零件，这有助于加快原型的开发。

“这项研究证明了SLA 3D打印能够再现现有的机加工金属部件，”Dutcher总结道。“虽然扩展性能测试不是本研究的目的，但3D打印压力容器阀门组件在性能测试中表现非常出色。如果没有增材制造，就不可能开发出及时庄园的设计变化。测试表明，通过将裂缝减少到52.0psi至22.8psi的完全旁通压力，阀门性能得到了改善。改进现有产品的成功性能测试证明了SLA 3D打印原型组件的有效性。”

审核编辑 黄昊宇