Les navires sous pression ou leurs sous-structures peuvent-ils être fabriqués par l'impression 3D métallique?

1. Faisabilité technique: Le point où les navires de fabrication et de pression additifs se réunissent
L'impression métal 3D fabrique des pièces physiques à partir de modèles numériques en empilant des poudres en métal ou des fils les uns sur les autres. Le principal avantage de cette méthode est qu'il contourne les limites géométriques des méthodes standard et permet le moulage intégré de structures compliquées. Cette fonctionnalité peut considérablement améliorer la conception des récipients sous pression:
Structures légères et fonctions d'intégration: Pour faire des récipients de pression traditionnels, vous devez souder ensemble des structures de cavité internes complexes. Avec l'impression 3D, vous pouvez ajouter des fonctionnalités telles que les canaux d'eau de refroidissement conformes et les côtes de renforcement internes en même temps. Par exemple, le Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) a utilisé la technologie de dépôt d'énergie dirigé (DED) pour fabriquer des navires de pression en alliage en titane. Cette méthode a permis une production d'échelle grande - avec un diamètre de 640 millimètres et un volume de 130 litres. Les navires ont été fabriqués par soudage et assemblant deux composants hémisphériques, et le chemin de dépôt a été optimisé pour contrôler la déformation thermique. Enfin, les tests de température faibles - à - 196 degrés et les tests à haute pression à 330 BAR ont montré que l'impression additive fonctionne bien dans des conditions très difficiles.
Utilisation des matériaux et optimisation des coûts: dans les méthodes traditionnelles, la fabrication de navires de pression nécessite une allocation de traitement réservée, qui pourrait gaspiller jusqu'à 30% à 50% du matériau. Avec la fonction "Net Net Shape" de l'impression 3D, vous pouvez utiliser plus de 90% du matériau. Shell s'est associé à la technologie 3D Metalforge pour utiliser la technologie sélective de fusion laser (SLM) pour imprimer des pièces pour les tubes d'échangeur de chaleur. Cela réduit le délai de livraison de plusieurs semaines à deux semaines et réduit les dépenses de plus de 20%.
Itérations rapides et faites - à - Production de commande: les récipients de pression doivent parfois modifier les caractéristiques de conception comme l'épaisseur de la paroi et la position d'interface basée sur la façon dont elles sont utilisées. Les cycles de développement de moisissures traditionnels sont longs et coûteux . 3 D L'impression facilite la modification des conceptions rapidement. Par exemple, AML3D a fabriqué un navire de pression en aluminium en aluminium en aluminium 8 - de 8 {7} pour ExxonMobil qui peut être fabriqué en 12 semaines en utilisant la technologie de fabrication additive par fil (WAM), qui est 60% plus rapide que les méthodes traditionnelles.
2. Cas de demande: passer du laboratoire à l'industrie
Dans le secteur aérospatial, les récipients sous pression sont des parties très importantes des véhicules de lancement et des satellites qui doivent faire face à des températures et des pressions très élevées. Les tests de KITECH sur les récipients de pression en alliage en titane ont indiqué que les pièces réalisées en utilisant le processus DED ne se sont pas cassées facilement à -196 degré, et que la contrainte résiduelle a été réduite de 40% par rapport aux pièces fabriquées par des méthodes de forgeage traditionnelles en optimisant le chemin de dépôt. General Electric (GE) a également utilisé l'impression 3D pour rendre les lames de turbine à gaz, ce qui a rendu les canaux de refroidissement trois fois plus compliqués et 64% plus efficaces. Ceci est un bon exemple de la façon de construire des canaux d'écoulement internes dans les vaisseaux de pression.
Shell a commencé à utiliser l'impression 3D pour fabriquer des pièces de tube d'échangeur de chaleur dans l'industrie pétrochimique. En effet, les méthodes de forage standard ne peuvent pas faire des constructions clôturées - (avec une épaisseur de paroi minimale de 0,5 mm). La construction de canaux d'eau conformes a également rendu le système de refroidissement 15% plus efficace. Le partenariat entre AML3D et ExxonMobil a montré que l'impression 3D peut être utilisée pour fabriquer d'énormes vaisseaux sous pression avec un diamètre de 1,5 mètre. Sa technique WAM fonctionne avec une large gamme de matériaux, notamment en aluminium, en titane et en acier. Cela facilite la fabrication d'équipements chimiques adaptés à vos besoins.
Valourek et Total ont travaillé ensemble pour fabriquer un composant de veste d'eau de 1,2 - de 1,2, 220 kilogrammes pour le stockage d'énergie à l'aide de la technologie WAAM. Cette technologie réduit le poids du composant en deux par rapport aux conceptions standard et vérifie la qualité des connexions soudées avec des tests radiographiques à 100%. Ce cas montre que l'impression 3D peut améliorer les structures de support des vaisseaux sous pression, utiliser moins de matériau et mieux fonctionner dans les tremblements de terre.
3. Performance matérielle: problèmes pour répondre aux normes des navires de pression
Pour faire des récipients sous pression, les matériaux doivent respecter les normes rigoureuses pour des choses comme la résistance, la dureté, la résistance à la corrosion et la stabilité à basse température. À l'heure actuelle, la plupart des conditions de travail peuvent être remplies par les matériaux qui sont régulièrement utilisés pour l'impression 3D:
Ti6al4v est un alliage de titane commun utilisé dans l'aérospatiale. Il a une résistance à la traction de 890 MPa, un allongement de 10% et une ténacité élevée même à -196 degrés. Les tests par KITECH montrent que les vaisseaux de pression en alliage en titane réalisés en utilisant la technique DED ne changent pas de forme dans des conditions difficiles et respectent la norme ASME BPVC.
Les alliages à base de nickel - comme Inconel 718 sont forts même à des températures élevées de 650 degrés, ce qui les rend bons pour les récipients de pression de turbine à gaz. Après traitement thermique, les lames en alliage à base de nickel - fabriquées par GE en utilisant la technique SLM avaient une taille de grain plus fine et une résistance de 20% plus à des températures élevées.
ALSI10MG est un alliage d'aluminium léger (densité 2,7 g / cm³) qui est souvent utilisé dans les récipients de pression dans les secteurs de l'automobile et de l'électronique. Il a une résistance à la traction de 310 MPa, et le traitement thermique T6 peut le rendre encore plus fort, ce qui répond à la norme EN 13445.
Mais l'anisotropie des matériaux utilisés dans l'impression 3D reste un problème. Des études indiquent que la résistance à la fatigue des composants produites via la méthode SLM dans l'orientation verticale est de 15% à 20% inférieure à l'orientation horizontale. Pour se débarrasser des pores et augmenter la densité du matériau à plus de 99,9%, un pressage isostatique chaud (HIP) doit être effectué après le traitement.