CN106985372B - 用于通过三维打印形成膜片的系统和方法 - Google Patents

用于通过三维打印形成膜片的系统和方法 Download PDF

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Abstract

系统、装置和方法涉及使用三维打印技术来制造膜片。

Description

用于通过三维打印形成膜片的系统和方法
技术领域
概括地说，本申请涉及用于利用三维打印机来制造膜片的系统和方法。
背景技术
用于工业的以及其它类型的阀的许多致动器包括膜片，以对致动器或阀内部的压力变化进行感测和/或反应，以便对阀进行控制。膜片会随时间和/或使用周期而磨损，并且可能需要改变或替换。另外，有时可能期望将膜片从一种类型改变为不同的类型。在任一情况下，改变或修复膜片需要将致动器和/或阀分开，这使得阀在某个时间段内无法操作。
许多阀安装在工业过程系统中，其中需要使停工时间(down time)最小化。因此，使阀不可操作的对阀的维护(例如，更换膜片)通常需要尽可能迅速地执行，从而使阀(并且因此使相关联的过程系统)的停机时间最小化。然而，用于制造膜片的常规工艺(例如，成型(molding)、形成或包覆成型(over-molding))在生产第一膜片之前通常具有昂贵的加工和长的交付时间要求。因此，当计划和实现对工业过程线中的阀的维护(其可能包括更换致动器膜片)时，在拆卸致动器之前已选择、订购膜片并使膜片可用通常是必要的。
可惜的是，并非总是可能有用于获得膜片的必要交付时间。例如，如果阀致动器在计划的维护关闭之前意外地需要新的膜片，或者如果需要只有在拆卸了致动器之后才能安装非标准膜片意外地变得显而易见，则可能由于获得期望膜片的长的交付时间而没有足够的时间来获得所需要的膜片。在这种情况下，具有获得膜片(并且特别是非标准膜片)而不必等待当前在工业中标准的加工和交付时间的方法将是令人期望的。
发明内容
在一些布置中，本公开内容提供了涉及使用三维(3D)打印技术或类似的添加制造技术来制造膜片的系统、装置和方法。
根据本公开内容的一些方面，一种制造用于致动器中的膜片的方法包括：利用三维打印机来形成膜片的至少一部分。可以利用三维打印机来形成整个膜片，或者可以利用三维打印机来形成膜片的一部分。这具有以下优势：能够快速地形成膜片并减小或甚至消除用于获得膜片的延长的交付时间和/或减小用于生产膜片的加工成本。通过显著地减少用于生产膜片(并且特别是非标准膜片)的等待时间和花费，该方法在研究、开发、生产和维护阶段中会是有用的。
在一些布置中，在制造膜片时可以同时打印两个或多种材料。以此方式，可以打印纯第一材料，可以打印纯第二材料，或者可以打印第一材料和第二材料的梯度。类似地，如果打印三个或更多种材料，则可以纯打印这些材料中的任意一种材料和/或可以打印这些材料中的任何两种或更多种材料的各种梯度组合。第一材料可以具有较高的柔性和较低的拉伸强度，类似于橡胶，并且第二材料可以具有较高的拉伸强度和较低的柔性，类似于织物。第一材料可以具有第一弹性，并且第二材料可以具有与第一弹性不同的第二弹性。在打印过程期间，可以在微观尺度上将材料熔合并固化在一起。这可以允许相对快速地并且不昂贵地制造几乎无限种类的材料和/或结构的膜片。
在一些布置中，可以在几何上进行设计并且引入基础结构。这可以例如用于在宏观级别上使膜片的柔性和/或强度特性最大化。这还可以允许相对快速地并且不昂贵地制造几乎无限种类的机械特性的膜片。
根据一些方面，一种用于制造用于致动器的柔性膜片的系统可以包括：三维打印机；以及柔性膜片的三维模型以用于由3D打印机访问，以使得3D打印机能够通过3D模型来制造柔性膜片。在一些布置中，3D打印机能够使用两个或更多种材料进行打印。例如，3D打印机可以包括两个或更多个打印盒。每个打印盒可以包含不同的材料。每种材料可以向柔性膜片提供不同的机械特性。以此方式，该系统能够制造在不同区域中具有不同的材料和/或机械属性的柔性膜片。
这些方面中的任何一个或多个方面可以与通过对附图和以下描述的详细检验而显而易见的其它方面和/或另外的方面、布置、特征和/或技术效果中的任何一个或多个进行组合。
附图说明
图1是根据本公开内容的一方面的方法的流程图；
图2是根据本公开内容的一方面的、用于打印膜片的3D打印系统的图示说明；
图3是根据本公开内容的一方面的膜片的顶部俯视图；
图4是图3的膜片的径向横截面视图；以及
图5是图4中的膜片的圆形部分的放大的细节横截面视图。
具体实施方式
根据本公开内容的方法和系统在许多不同的各种组合中可以具有不同的方面、布置和特征。本文所公开的方面、布置和特征中的任何一个或多个可以以适合于以任何有用的方式提供技术方面的任何一个或任何组合的任何方式，与其它方面、布置和特征进行组合。
根据一些方面，公开了一种制造用于致动器中的柔性膜片的方法。所述方法可以包括：利用三维打印机来形成所述柔性膜片的至少一部分。可以利用三维打印机来形成整个柔性膜片。可以利用三维打印机来形成少于所述整个柔性膜片。所述柔性膜片可以包括多个层片，并且所述形成的步骤可以包括：由第一材料形成所述柔性膜片的第一层片和/或由第二材料形成所述柔性膜片的第二层片。所述柔性膜片的层片可以包括多个层，并且所述形成的步骤可以包括：由第一材料形成第一层的第一区域和/或由第二材料形成所述第一层的第二区域。所述第一材料可以具有第一特性，并且所述第二材料可以具有第二特性。所述第一材料可以具有第一弹性，并且所述第二材料可以具有第二弹性。所述第一材料可以比所述第二材料更具有柔性。所述第二材料可以具有比所述第一材料高的拉伸强度。所述柔性膜片可以由塑料材料和弹性体材料中的至少一个形成。
根据一些方面，形成所述膜片可以包括：创建所述膜片的计算机可读三维模型。形成所述膜片可以包括：将所述三维模型加载到所述三维打印机。形成所述膜片可以包括：分配一种或多种材料以用于打印所述膜片。形成所述膜片可以包括：利用所述三维打印机由所述三维模型和所分配的材料打印所述膜片。形成所述膜片可以包括：打印所述柔性膜片的第一部分以形成柔性主体。形成所述膜片可以包括：打印所述柔性膜片的第二部分以形成加强构件。所述第一部分可以利用弹性体材料来形成，并且所述第二部分可以利用塑料材料来形成。所述加强构件可以包括围绕所述柔性主体的中心区域的加强环。所述柔性主体可以包括至少一个连续层片，和/或所述加强构件包括至少一个不连续层片。
根据一些方面，所述方法可以包括：从阀致动器获得所述膜片的规格。所述方法可以包括：基于所获得的规格来创建所述三维模型。获得所述规格可以在所述阀致动器已安装在过程管道线路中之后执行。获得所述规格可以包括：临时地关闭通过所述过程管道线路运行的任何过程和/或至少部分地拆卸所述阀致动器。
根据一些方面，提供了一种用于制造用于致动器的柔性膜片的系统。所述系统可以包括所述柔性膜片的三维模型。所述系统可以包括三维打印机，所述三维打印机包括：用于形成所述柔性膜片的材料的打印盒；以及计算机处理器，所述计算机处理器响应于所述三维模型来对来自所述打印盒的材料的沉积进行控制。所述三维模型可以由所述三维打印机访问，以使得所述三维打印机能够通过所述三维模型来制造所述柔性膜片。所述三维模型可以例如通过以下操作来访问：直接加载到所述3D打印机，或者通过存储在与所述3D打印机分开的电子存储器中并由所述3D打印机访问。所述三维打印机可以被布置为：利用两个或更多个不同的材料来打印。例如，所述3D打印机可以包括至少第二打印盒。所述第一打印盒可以包含第一材料，并且所述第二打印盒可以包含第二材料。所述三维模型可以限定由不同材料形成的至少两个体积(vulume)。所述打印机优选地能够制造具有第一区域和第二区域的所述柔性膜片，所述第一区域由与所述体积中的第一体积相对应的所述第一材料形成，，并且所述第二区域由与所述体积中的第二体积相对应的所述第二材料形成。
现在转到附图的特定示例，图1和图2示出了根据本公开内容的一些方面的、用于利用3D打印机14来制造膜片12的方法10和系统11。膜片12可以是用于阀致动器中的膜片，例如用于工业阀或者用于另一种类型的阀。根据本公开内容的、能够用于打印膜片的许多类型的3D打印机可用。可以使用的一种示例性的3D打印机是从Stratasys Lt.可获得的Objet500ConnexTM。然而，可以使用适于并被布置为基于3D计算机可读模型、使用塑料和/或弹性体材料来形成三维对象以形成膜片的结构和特征的任何3D打印机，并且3D打印机的特定制作或模型与本公开内容并不特别相关。另外，特定类型的3D打印方法可以随着3D打印机而不同。3D打印机14可以包括或操作地连接到计算机处理器，该计算机处理器被布置为：以本领域中现有或将来可用的任何方式、基于3D模型16和所分配的材料来驱动各个机械部件，例如打印头、支撑表面、打印盒等等。3D打印机14可以通过适合于以利用3D打印机14形成膜片12的方式来指导计算机处理器的任何布置来访问3D模型16。例如，3D模型16可以上载到3D打印机的电子存储器，或者3D模型16可以存储在远离3D打印机14的电子存储器中并经由数据通信链路来访问。优选地，3D打印机14可以同时利用多个不同的材料进行打印。例如，3D打印机14可以具有多个不同的打印盒18，其中每个打印盒可以包含不同的打印材料，例如聚合物或弹性体，以使得3D打印机14可以利用不同的材料进行打印，以形成其中具有不同材料的膜片12。
方法10包括创建膜片12的3D模型16，如在框20处所示出的。3D模型16可由计算机程序读取并使用以用于以本领域所理解的任何方式来控制3D打印机14。3D模型16可以是例如由计算机辅助制图(CAD)程序创建的数字文件。3D模型16优选地定义膜片12的整体体积，包括不同材料和/或机械特征的体积之间的任何边界。例如，3D模型16可以对膜片12进行建模，其中膜片12具有各种特征。在该示例中，模块12具有顶部表面和底部表面，其中顶部表面和底部表面具有通常圆形周边边缘以及径向地延伸穿过膜片的通常薄的侧面轮廓。膜片包括夹在上部层片32与下部层片34之间的加强层片30。层片30、32和34中的每个层片基本上完整地跨膜片12的圆形表面区域延伸。另外，膜片12具有中心区域36、围绕中心区域的波纹管区域38(其还被称为旋圈(convolution))、以及围绕中心区域的周边区域40。波纹管区域38的内周边与中心区域36的内周边连接，并且波纹管区域38的外周边连接到周边区域40的内周边。中心区域36具有相对平坦的轮廓和/或表面并且形成鼓膜，以响应于顶侧和/或底侧上的压力变化而进行感测和/或移动。上部层片32和下部层片34可以形成能够响应于压力变化而移动的柔性主体。波纹管区域38是允许中心区域36相对于周边区域40向上和/或向下移动的波浪形轮廓。周边区域40具有平坦的轮廓并且可以包括围绕周边区域间隔开的、穿过其中的多个螺栓孔42。周边区域40适用于将膜片12附接到致动器壳体。加强环44也可以嵌入在螺栓孔42与波纹管区域38之间的上部层片32与下部层片34之中或之间。膜片的所有这些特征(例如，30-44)被建模成具有描述特征的形状的表面的3D模型中的各个体积。
方法10包括向3D打印机14提供3D模型16，如在框22处所示出的。3D模型16可以以适合于传送电子数据的任何方式(例如，利用有线连接、无线数据链路、互联网链路、利用可读存储器等等)提供给3D打印机14。3D模型16可以直接传送给3D打印机14，和/或3D模型16可以与3D打印机14分开存储并由3D打印机远程地访问。
在框24处，方法10包括：向3D模型的一个或多个体积分配材料，以利用所分配的材料来打印膜片的一个或多个区域和/或体积。可以利用将由3D打印机14分发的材料来形成正特征(例如，30、32、34、36、38、40和44)中的一个或多个或所有特征。特征30-40和44中的一些或所有特征可以由不同的材料或材料的不同混合物形成。不同的材料可以具有不同的特性。第一材料可以具有第一特性，例如具有第一弹性和/或拉伸强度，并且第二材料可以具有第二特性，例如具有第二弹性和/或拉伸强度。如果期望的话，还可以使用两个以上不同的材料。然而，在一些情况下，特征30-44中的一些或所有特征可以由相同的材料形成。在任何情况下，向定义各个特征30-44的3D模型的各个体积中的每个体积分配材料或材料的混合物。向体积(或特征)分配材料可以例如通过利用3D模型16直接在3D打印机14处输入这种分配或者任何其它有效方式来完成。另外，虽然分配材料被示出为发生在框20之后，但分配材料可以发生在打印膜片之前的任何时间。当然，膜片12仅是示例性的，并且可以将另外的、不同的和/或更少的特征形成到膜片中以利用根据本公开内容的3D打印机来制造，并且本公开内容的原理也适用于这些不同的膜片。
在框26处，方法10包括利用3D打印机14来打印膜片12。3D打印机14可以基于已开发的或者将来可能开发的各种添加制造技术中的任何一种来打印。许多此类添加制造技术通过形成彼此叠加的材料层来构建3D对象(例如在该示例中，膜片12)。因此，在膜片12的轮廓中(例如，在中心区域)，膜片的每个正特征可以由多个单独的材料层形成，其中每一层由3D打印机的打印头的单次经过形成。例如，如图5中所示出的，加强层片30、上部层片32和下部层片34中的每一个可以由多个单独的材料层形成，例如加强层片30的层30a-c、上部层片32的层32a-e和下部层片34的层34a-e。
层片30、32和34可以由不同的材料形成，例如弹性体材料或塑料材料。例如，上部和/或下部层片32和34可以由弹性体材料形成，并且加强层片30可以由塑料材料形成。
这些层30a-c、32a-e和34a-e中的每一层均可以在层的不同区域处由不同的材料形成。以此方式，3D打印机14可以形成膜片12，以使得特定层片的不同区域具有不同的机械属性。例如，上部层片32可以被形成为具有中心区域36内的第一材料(例如，高弹性材料)并具有周边区域40中的第二材料(例如，更多的塑料材料)。以此方式，利用多种材料来3D打印膜片允许生产在单个层片内具有多种材料和机械特性的膜片。
层片30、32和34中的每个层片均可以由不同材料的层形成。例如，上部层片32的层32a、32c和32e可以由第一弹性体材料形成，并且层32b和32d可以由第二弹性体材料形成。由不同的材料形成不同层的其它布置也是可能的。
膜片12的不同特征可以由不同的材料形成，以提供不同的机械特性。例如，上部层片32和下部层片34可以由高度柔性的材料(例如，氯丁橡胶或硅橡胶或类似材料)形成，这可能有利于响应于中心区域36处的压力变化而进行感测和移动。加强层片32可以由更坚固、更小柔性的材料(例如，聚氯乙烯或类似材料)制成，以提供坚固的网络来保持膜片12的形状。加强环可以由非常刚硬和坚固的另一种材料(例如，聚氯乙烯或类似材料)形成。
膜片12的不同特征可以被形成为具有不同的物理特性，以提供不同的机械性能。加强层片32可以被建模并打印为形成或模拟例如具有非连续体积的织物，其中该体积具有可能近似纺织物或无纺织物的宏观空隙。上部层片32和下部层片34可以被建模并打印为：在顶侧与底侧之间提供例如具有连续体积而没有宏观空隙的基本上不透气的阻挡层。加强环可以被建模并打印以便具有非常密集的结构以形成坚固的加强特征，以便例如被接受到凹槽中并防止从凹槽中拉出。
根据一些方面，可以利用3D打印机14来打印整个膜片12。例如，可以通过利用3D打印机14进行打印来形成特征30-40和44中的每个特征。根据其它方面，可以利用3D打印机14来形成少于整个膜片12。换句话说，可以通过利用3D打印机进行打印来形成特征30-40和44中的一些特征，而以不同方式来形成这些特征中的其它特征。例如，加强层片30可以是嵌入到先前打印的下部层片34上的预先形成的织物，并且此后可以直接在加强层片的顶部上方打印上部层片42。类似地，加强环44可以是嵌入到已经打印的下部层片34上的预先形成的金属环，并且此后可以在加强环的顶部上方打印上部层片32。
本文所公开的方法和系统的益处可以是快速地获得用于沿过程管道线路已安装的阀致动器的膜片的能力。这种能力在例如过程线路的维护关闭期间会是特别有用的。在该场景中，方法10还可以包括：在创建3D模型之前或结合创建3D模型，从阀致动器自身获得膜片12的期望或必要的规格。这可以通过在现场已开启阀致动器之后获得阀致动器和/或当前膜片的测量结果或其它调查信息来完成。例如，一旦过程线路关闭并隔离，就可以至少部分地拆卸已经安装的阀致动器，直到膜片可访问为止。随后，当阀仍然沿管线安装时，可从部分拆卸的阀致动器直接获得替换膜片的测量结果和/或其它规格。当然，如果期望的话，还可以利用从管线卸载的阀来获得这些测量结果。此后，创建三维模型16可以基于通过对阀致动器的调查获得的规格。以此方式，所公开的方法和系统还能够在运行中(例如，在维护关闭期间)对几乎任何类型的膜片的快速成型和/或形成，这可以提供显著的额外灵活性以便以此前不可能的方式来安装并替换所使用的膜片。
类似地，本文所公开的方法和系统可以允许对膜片的快速成型，这在尝试开发新的膜片设计时会显著地加快当前的研究和开发周期。
该详细描述应当被解释为仅是示例性的，并非描述每种可能的实施例或组合，这是因为描述每种可能的实施例和组合即使是可能的也将是不实际的。可以使用当前技术或者在本申请递交日之后开发的技术来实现众多替代的实施例和组合。因此，虽然本文示出并描述了特定的示例性形式，但要理解的是，本文所公开的各个方面、布置和/或特征中的任何一个可以以本领域普通技术人间在查阅本公开内容的教导后将会理解的方式，与本文所公开的其它方面、布置和/或特征中的任何一个或多个进行组合。

Claims (19)

1.一种制造用在致动器中的柔性膜片的方法，包括：利用三维打印机来形成所述柔性膜片的至少一部分，其中，形成所述柔性膜片的步骤包括：由第一材料形成中心区域；由所述第一材料或与所述第一材料不同的第二材料形成波纹管区域，所述波纹管区域连接到所述中心区域并围绕所述中心区域；以及由所述第二材料形成周边区域，所述周边区域连接到所述波纹管区域并围绕所述波纹管区域，其中，所述周边区域包括延伸穿过其的多个螺栓孔；以及在所述波纹管区域与所述多个螺栓孔之间嵌入加强环，以使得所述加强环围绕所述中心区域，所述加强环由比所述第一材料和所述第二材料更刚硬的第三材料形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述三维打印机来形成整个柔性膜片。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述三维打印机来形成整个柔性膜片的一部分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述柔性膜片包括多个层片，并且所述形成的步骤包括：通过由所述第一材料形成第一层片来形成所述柔性膜片的所述中心区域；以及通过由所述第二材料形成第二层片来形成所述柔性膜片的所述周边区域。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述柔性膜片的层片包括多个层，并且所述形成的步骤包括：由所述第一材料形成第一层的所述中心区域；形成所述第一层的所述波纹管区域；以及由所述第二材料形成所述第一层的所述周边区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料具有第一特征并且所述第二材料具有第二特征。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料具有第一弹性并且所述第二材料具有第二弹性。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料比所述第二材料更具有柔性。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二材料具有比所述第一材料高的拉伸强度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料包括弹性体材料并且所述第二材料包括塑料材料。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形成的步骤包括：创建所述柔性膜片的计算机可读三维模型；将所述三维模型加载到所述三维打印机；分配两种或多种材料以用于打印所述柔性膜片；以及利用所述三维打印机由所述三维模型和所分配的材料打印所述柔性膜片，其中，所述打印的步骤包括：由所述第一材料打印所述中心区域，由所述第一材料或所述第二材料打印所述波纹管区域，以及由所述第二材料打印所述周边区域。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形成的步骤包括：打印所述柔性膜片的第一部分以形成柔性主体；以及打印所述柔性膜片的第二部分以形成所述加强环。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一部分是利用弹性体材料形成的，并且所述第二部分是利用塑料材料形成的。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的方法，其中，所述柔性主体包括至少一个连续层片，并且所述加强环包括至少一个不连续层片。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：从阀致动器获取所述柔性膜片的规格；以及基于所获得的规格来创建所述三维模型。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述获得的步骤是在所述阀致动器已安装在过程管道线路中之后执行的。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述获得的步骤包括以下步骤：临时地关闭运行通过所述过程管道线路的任何过程。
18.一种制造用于致动器的柔性膜片的系统，包括：所述柔性膜片的三维模型；以及三维打印机，所述三维打印机包括用于形成所述柔性膜片的第一材料的第一打印盒和第二材料的第二打印盒，所述三维打印机还包括计算机处理器，所述计算机处理器响应于所述三维模型来对来自所述第一打印盒的所述第一材料和来自所述第二打印盒的所述第二材料的沉积进行控制；并且其中，所述三维模型由所述三维打印机访问，以使得所述三维打印机能够通过所述三维模型来制造所述柔性膜片，并且其中，所述三维打印机被布置为执行根据权利要求1所述的形成所述柔性膜片的步骤。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述三维模型定义由不同材料形成的至少两个体积，并且其中，所述打印机能够制造具有第一区域和第二区域的所述柔性膜片，所述第一区域由与所述体积中的第一体积相对应的所述第一材料形成以及所述第二区域由与所述体积中的第二体积相对应的所述第二材料形成。
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