CN112197026B - 气体减压阀及其3d打印制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及减压阀技术领域，提供一种气体减压阀及其3D打印制造方法，所述气体减压阀为3D打印一体化结构，包括：阀体，所述阀体内设有至少一级气体流道，所述气体流道为螺旋结构，且所述气体流道的直径沿气体流道的第一端至气体流道的第二端逐渐变大。本发明将气体减压阀及内部的气体流道设计为一体成型结构，从而最大限度的提升了整体强度，可以承受更大气压，并且大大地减少了机械连接。

Description

气体减压阀及其3D打印制造方法

技术领域

本发明涉及减压阀技术领域，尤其涉及一种气体减压阀及其3D打印制造方法。

背景技术

近年来，国家氢燃料汽车产业快速发展，对于高压气态储氢技术需求明显，高压储氢阀门是燃料电池汽车的关键部件。目前，国内外使用的阀门主要为35Mpa和70Mpa两种规格，而这两种减压阀绝大多数依赖国外进口，国内能制造此减压阀的技术远远落后于高压储氢应用的需求。随着加氢站等配套设施的布局，压力容器的储氢压力甚至达到了90-100Mpa。更高的储氢压力，可以提升单位体积的储氢量，但对阀体各零件的组装和密封提出了极为苛刻的要求。

传统的高压氢气阀体制造技术主要包括：将减压阀设计为几十个零件；将设计的零件分别制造，利用车床、铣床、磨床等设备，将金属坯料加工成高精度的零件；将零件通过螺纹或者螺栓紧密连接，连接处使用高分子密封圈进行密封。根据以上制造方法，将金属坯料修整为所需外形，然后钻出气体流道的内部管路，因此，几十个零件组成时，大量的连接部位都需要做密封处理。由于传统加工的特点，减压阀的气体流道都为直的，仅能依靠模块组装将流道改变方向；由于减压阀是大量零件通过螺纹、螺栓结合而成，因此，整个减压阀在受到撞击和挤压的时候，连接的强度不够，无法很好地保护整体不受损坏。并且由于对轻质量、小尺寸减压阀的要求，一些连接部位的螺纹仅能保证基本的连接强度，在受到外力损坏时，一旦螺纹被破坏则发生致命的损坏，减压阀因此会报废。

发明内容

本发明提供一种气体减压阀及其3D打印制造方法，将气体减压阀及内部的气体流道设计为一体成型结构，从而最大限度的提升了整体强度，可以承受更大气压，并且大大地减少了机械连接。

本发明提供一种气体减压阀，所述气体减压阀为3D打印一体化结构，包括：阀体，所述阀体内设有至少一级气体流道，所述气体流道为螺旋结构，且所述气体流道的直径沿气体流道的第一端至气体流道的第二端逐渐变大。

根据本发明提供的一种气体减压阀，所述阀体的外壁上设有进气口和出气口，所述进气口与所述气体流道的第一端相连，且所述进气口的孔径大于所述气体流道的第一端的孔径，所述出气口与所述气体流道的第二端相连。

根据本发明提供的一种气体减压阀，所述阀体上设有第一截止阀，所述第一截止阀连接于所述出气口与所述气体流道的第二端的连接管路中。

根据本发明提供的一种气体减压阀，所述阀体的外壁上还配置有多个支路出口，所述气体流道设有与所述支路出口相配合的支路出气端，所述支路出气端与所述支路出口相连。

根据本发明提供的一种气体减压阀，所述阀体上设有第二截止阀，所述第二截止阀连接于所述支路出气端与所述支路出口的连接管路中。

根据本发明提供的一种气体减压阀，所述气体流道的直径从0.01mm-1mm连续变化，且气体流道的螺旋为6周，所述螺旋的直径为10mm。

根据本发明提供的一种气体减压阀，所述气体流道包括第一级气体流道、第二级气体流道和第三级气体流道，相邻两级气体流道通过过渡流道进行一体化连接。

根据本发明提供的一种气体减压阀，所述第一级气体流道将气体压力由200Mpa减至140-150Mpa，所述第二级气体流道将气体压力由140-150Mpa减至70-80Mpa，所述第三级气体流道将气体压力由70-80Mpa减至0.5-0.1Mpa。

本发明还提供一种所述气体减压阀的3D打印制造方法，包括：以不锈钢粉末为原材料，基于打印的工艺参数，采用条带式扫描方式对所述气体流道和所述过渡流道扫描打印；采用棋盘式扫描方式对所述阀体扫描打印。

根据本发明提供的3D打印制造方法，单次扫描打印气体流道的实体部分和过渡流道的实体部分：切片分层厚度为10-30um/次，中等功率为100-120W，扫描速度为1100-1500mm/s，扫描间距为75-100um；两次扫描打印气体流道的内壁轮廓部分和过渡流道的内壁轮廓部分：第一次扫描打印采用高等功率为120-160W，扫描速度为900-1000mm/s，扫描间距为50-100um，第二次扫描打印采用中等功率为100-120W，扫描速度为900-1000mm/s，扫描间距为40-60um；单次扫描打印阀体的实体部分：切片分层厚度为10-30um/次，中等功率为100-120W，扫描速度为1900-2100mm/s，扫描间距为75-100um；单次扫描打印阀体的外壁轮廓部分：采用高等功率为120-160W，扫描速度为800-1000mm/s，扫描间距为40-60um。

本发明提供的气体减压阀及其3D打印制造方法，通过将气体减压阀及内部的气体流道设计为一体成型结构，从而最大限度的提升了整体强度，并且通过将气体流道设置为螺旋结构，使整体结构更加紧凑，使阀体尺寸得到优化，结构更均衡，可以承受更大气压，并且大大地减少了机械连接。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的气体减压阀的外观示意图；

图2是本发明提供的气体流道的结构示意图；

图3是本发明提供的气体流道在气体减压阀内部的分布图；

图4是本发明提供的条带式扫描方式路径图；

图5是本发明提供的气体流道的剖视图；

图6是本发明提供的棋盘式扫描方式路径图；

附图标记：

1：阀体；101：进气口；102：出气口；103：第一截止阀；104：支路出口；2：第一级气体流道；3：第二级气体流道；4：第三级气体流道；5：气体流道的第一端；6：气体流道的第二端；7：气体流道的内壁轮廓部分；8：气体流道的实体部分；9：过渡流道；10：支路出气端。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图6描述本发明的气体减压阀及其3D打印制造方法。

根据本发明的一方面实施例，下面对本发明提供的气体减压阀进行描述，下文描述的气体减压阀与下文描述的气体减压阀的3D打印制造方法可相互对应参照。

本发明提供的气体减压阀整体为3D打印一体化结构，如图1-图3所示，主要包括：阀体1和至少一级气体流道，可以理解的是，本发明阀体及气体流道在3D打印制造时为一体成型结构，从而最大限度的提升了整体强度，可以承受更大气压，并且大大地减少了机械连接，最大限度保证了气密性和结构强度。

在该实施例中，为方便与柱形瓶安装使用，阀体设计为圆柱形，阀体直径为20mm左右，本发明对阀体的形状和直径不做特别限制，但是应尽量在提高减压范围前提下，使阀体的整体尺寸、重量尽量的小。

气体流道位于阀体内，气体流道为呈上下多层分布的螺旋结构，最大限度的提升使用空间，减小阀体的外围尺寸，且气体流道的直径沿气体流道的第一端5至气体流道的第二端6逐渐变大，气体通过时，由于变径的作用，将气体减压释放。

在该实施例中，阀体的外壁上设有进气口101和出气口102，进气口与气体流道的第一端相连，出气口与气体流道的第二端相连，且进气口的孔径大于气体流道的第一端的孔径，此孔径设计方式虽导致充气速度受到气体流道的限制，但是可以达到前所未有的高压承受力，并且一方面便于通过大孔径的进气口进气，另一方面，在需要进行快速释放气体时，由于气体流道的管径极小，气体通过整个气体流道至气体流道的第二端释放速度很慢，因此，可以通过气体流道的第一端连接的进气口快速释放。由于采用3D打印，其具有特殊的材料微孔结构，因此，气流十分分散及紊流，对人体更安全。

在该实施例中，阀体上设有第一截止阀103，第一截止阀连接于出气口与气体流道的第二端的连接管路中，用于对存储在气体流道内的气体进行开闭。

作为本发明进一步的改进实施例，如图1-图3所示，阀体的外壁上还配置有多个支路出口104，气体流道设有与支路出口相配合的支路出气端10，支路出气端与支路出口相连，且支路出气端分布于气体流道的不同位置处，包括同层螺旋的不同位置以及不同层螺旋的位置，将多个支路出气端与气体流道的不同位置相连，可以同时实现多个减压指标气体的释放，根据不同的压力，选择不同的支路出气端，使用更为方便。

可以理解是，本发明图1-图3中支路出口及支路出气端的位置及数量仅为示意作用，具体位置和数量可根据压力的数值进行调整。

相应的，在该实施例中，阀体上设有第二截止阀，第二截止阀连接于支路出气端与支路出口的连接管路中，用于对存储在不同支路出气端内的气体进行开闭。

在该实施例中，气体流道的直径从0.01mm-1mm连续变化，且气体流道的螺旋为6周，螺旋的直径为10mm。

作为进一步的改进，在该实施例中，气体流道包括三级气体流道，分别为：第一级气体流道2、第二级气体流道3和第三级气体流道4，相邻两级气体流道通过过渡流道9进行一体化连接，且每级气体流道的直径均为由气体流道的第一端至气体流道的第二端逐渐变大，采用连续变径的方法，气体通过时由于变径的作用将气体减压释放。

在该实施例中，第一级气体流道将气体压力由200Mpa减至140-150Mpa，第二级气体流道将气体压力由140-150Mpa减至70-80Mpa，第三级气体流道将气体压力由70-80Mpa减至0.5-0.1Mpa。因此，本发明三级气体流道的设计，可以极大程度的提高气体压力的范围，将约200Mpa储气压力的气体，经过三级减压，减压至0.5-0.1Mpa，本发明三级气体流道结构一体化，三级减压之间不需要螺纹等结构连接，最大限度保证了气密性和结构强度。

可以理解的是，本发明对气体流道的数量不做特别限制，可根据实际需求进行相应的设置。

根据本发明的另一方面实施例，本发明气体减压阀的3D打印制造方法的发明构思包括：主要根据减压阀的特点，针对变径螺旋结构的气体流道、过渡流道及减压阀阀体等结构设计对应的工艺参数，设计扫描路径及打印模式（条带式、棋盘式、两次打印烧结等）；针对气体流道及过渡流道的管壁内表面及流道连接处，设定特殊工艺参数，防止打印时坍塌和保证整体流道的尺寸公差。

在打印前期，应选择最优的摆放方式和排布方式，建立类型、强度及密度合理的支撑；尤其关注热量集中、塌陷产生点、弯曲或翘曲、尖角及边沿等部位，设定特殊的工艺参数，消除导致打印失败的因素。

并对打印设备进行清理及调校：使用压力震动清理功能，清理打印设备的过滤循环系统；使用无尘纸沾酒精，顺时针环形擦拭打印激光透镜；使用橡胶或碳纤维软刮刀刮原料粉层，前10层，刮刀移动速度定为0.5倍；之后，对打印基板进行预热处理，根据产品类型、316L不锈钢粉末原料选择预热温度；根据产品摆放方式、结构特点设定工艺参数。打印时可根据打印效果，适当调整过程参数，设定好之后进行自动3D打印。

打印完的减压阀工件，首先进行热等静压处理，增强性能；之后进行热处理去除残余应力；线切割后将减压阀工件与打印基板分开。之后根据使用工况、使用环境、使用人员以及执行的任务类型进行不同的后处理，包括：喷砂去应力、表面微弧氧化处理、表面抛光、加工螺纹等方式。

下面将具体对本发明气体减压阀的3D打印制造方法的特殊工艺进行描述。

在该实施例中，本发明通过气体减压阀用于存储并使高压氢气减压，减压后的氢气输送至燃料电池的电堆进行发电。

以316L不锈钢球形粉末为原材料，粒径15-53um，呈正态分布，粒度分布D50≤35um，流动性≤40s，密度7.83g/cm³。

粉末成分质量分数为：Ni=13.02%，Cr=16.99%，Mo=2.36%，Mn=0.69%，Si=0.62%，O=0.0375%，Fe=余量。

打印设备打印过程中，采用浓度为99.999%纯度氩气保护，在氧含量低于1000ppm时开始打印。

本发明对于空间摆放形位来说，采用平放加支撑的方式，具体的：将零件设计平放在打印基板上，使气体流道的螺旋法线垂直于打印基板，气体流道悬空且切向角度小于45°的部分施加支撑，保证打印结构完整。

打印设备选用橡胶或碳纤维软刮刀，打印基板预热温度设定为100℃，打印开始后停止加热，对于阀体及整体流道的前10层送粉量控制为150%，前10层每层经激光打印烧结两次，提升稳固性，第11层开始，具体采用下述打印扫描方式，直至打印完成。

本发明采用条带式扫描方式对气体流道和过渡流道形成的整体流道扫描打印，条带式扫描方式如图4所示，激光束沿扫描路径Ⅰ、扫描方向Ⅱ将不锈钢球形粉末熔化，当激光束从左侧扫描至右侧时，左侧部分热量已经耗散大部分，从而避免了热量的大量累积，导致不锈钢球形粉末被过渡燃烧。且由于该种打印方式的边界搭接LB少，打印条带内区域一致性好，用于气体流道和过渡流道的边界附近小区域的打印，保证了气密性。

如图4和图5所示，采用条带式扫描方式对气体流道扫描打印，包括：单次扫描打印气体流道的实体部分8：切片分层厚度为10-30um/次，优选为20um/次，中等功率为100-120W，扫描速度为1100-1500mm/s，优选为1100mm/s，扫描间距为75-100um；两次扫描打印气体流道的内壁轮廓部分7：第一次扫描打印采用高等功率为120-160W，优选为150W，扫描速度为900-1000mm/s，优选为900mm/s,扫描间距为50-100um，优选为50um，第二次扫描打印采用中等功率为100-120W，优选为100W，扫描速度为900-1000mm/s，优选为900mm/s，扫描间距为40-60um，优选为50um。

采用条带式扫描方式对过渡流道扫描打印，包括：单次扫描打印过渡流道的实体部分：切片分层厚度为10-30um/次，预选为20 um/次，中等功率为100-120W，扫描速度为1100-1500mm/s，优选为1500mm/s，扫描间距为75-100um；两次扫描打印过渡流道的内壁轮廓部分：第一次扫描打印采用高等功率为120-160W，优选为150W，扫描速度为900-1000mm/s，优选为1000mm/s，扫描间距为50-100um，优选为75-100um，第二次扫描打印采用中等功率为100-120W，优选为100W，扫描速度为900-1000mm/s，优选为1000mm/s，扫描间距为40-60um，优选为50um。

本发明采用棋盘式扫描方式对阀体扫描打印，棋盘式扫描方式如图6所示，将大区域划分为很多的小块区域LA，激光束随机选择其中一块进行扫描，大量的小块区域拼接成大区域，适用于扫描大区域，短时间内将各个小区域扫描完成，热量散失小，降低了内裂纹产生的风险。

采用棋盘式扫描方式对阀体扫描打印，包括：单次扫描打印阀体的实体部分：切片分层厚度为10-30um/次，优选为20 um/次，中等功率为100-120W，扫描速度为1900-2100mm/s，优选为2000mm/s，扫描间距为75-100um；单次扫描打印阀体的外壁轮廓部分：采用高等功率为120-160W，优选为150W，扫描速度为800-1000mm/s，优选为900mm/s，扫描间距为40-60um，优选为50um。

需要说明的是，本发明中的扫描速度、扫描功率及扫描间距均为影响激光将不锈钢球形粉末熔化的关键工艺参数。其中，扫描间距是指相邻两条的扫描路径Ⅰ的扫描线间距。

粉末熔化程度与扫描速度成反比、与扫描功率成正比，且扫描间距小，则小范围内热量累计多，扫描间距大，则两条扫描间距的粉末无法完全融化。当扫描速度过低，例如500mm/s，且扫描功率过高时，例如200W，则打印区内的热量将粉末过渡熔化，金属液体被烧蚀严重，冷却后会形成孔洞等缺陷；当扫描速度过高，例如2500mm/s；扫描功率过低，例如50W，则打印区内的热量将粉末未被完全熔化，金属液间夹杂粉末，冷却后形成夹杂等缺陷。

因此，本发明上述三个主要工艺参数，共同影响着单位区域内的热量。本发明通过对气体流道、过渡流道及阀体的打印工艺参数进行调整，并根据不同的打印结构，分别采用不同的工艺参数进行打印，上述特定范围的扫描间距能很好的熔化两扫描线间的粉末，其次，扫描速度与扫描功率的上述组合能将粉末成分很好的融化，液体冷却后，形成质量好的致密金属。

并且，可以理解的是，本发明打印气体流道的内壁轮廓部分及过渡流道的内壁轮廓部分时，均设定为两次扫描打印，可以获得高质量的累计叠加的内表面，保证整体结构的精度、内部组织及性能，整体致密度大于99.5%，保证了整体的致密性。

作为进一步的改进，本发明在对阀体的整体打印时，包括整体流道及阀体的打印，控制切片层间的扫描方向旋转50°~70°，可以有效地防止打印薄弱点集中在同一位置，使打印的微观组织最大程度偏向各项同性。

打印完成后，可以根据实际需求，进行后续处理，包括：将打印基板连同打印完的减压阀工件放置于热等静压设备进行处理，之后将打印基板连同减压阀工件放置于马弗炉中进行去应力热处理，之后线切割将打印基板与减压阀工件分离，取下减压阀工件，再通过0.1-0.2mm直径的钢珠对减压阀工件喷砂处理，喷砂完成后，经机械设备加工，对进气口及出气口攻丝处理。

本发明气体减压阀的适用气体不做特别限制，应用范围广泛。

基于上述实施例，本发明采用3D打印方法一体成型的气体减压阀，从而最大限度的提升整体强度、减少机械连接；同时，自由设计的气体流道及多级减压布局，使整体结构更加紧凑，使阀体尺寸得到优化，结构更均衡。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种气体减压阀，其特征在于，所述气体减压阀为3D打印一体化结构，包括：

阀体，所述阀体内设有至少一级气体流道，所述气体流道为螺旋结构，且所述气体流道的直径沿气体流道的第一端至气体流道的第二端逐渐变大；

所述阀体的外壁上还配置有多个支路出口，所述气体流道设有与所述支路出口相配合的支路出气端，所述支路出气端与所述支路出口相连。

2.根据权利要求1所述的气体减压阀，其特征在于，所述阀体的外壁上设有进气口和出气口，所述进气口与所述气体流道的第一端相连，且所述进气口的孔径大于所述气体流道的第一端的孔径，所述出气口与所述气体流道的第二端相连。

3.根据权利要求2所述的气体减压阀，其特征在于，所述阀体上设有第一截止阀，所述第一截止阀连接于所述出气口与所述气体流道的第二端的连接管路中。

4.根据权利要求1所述的气体减压阀，其特征在于，所述阀体上设有第二截止阀，所述第二截止阀连接于所述支路出气端与所述支路出口的连接管路中。

5.根据权利要求1所述的气体减压阀，其特征在于，所述气体流道的直径从0.01mm-1mm连续变化，且气体流道的螺旋为6周，所述螺旋的直径为10mm。

6.根据权利要求1所述的气体减压阀，其特征在于，所述气体流道包括第一级气体流道、第二级气体流道和第三级气体流道，相邻两级气体流道通过过渡流道进行一体化连接。

7.根据权利要求6所述的气体减压阀，其特征在于，所述第一级气体流道将气体压力由200Mpa减至140-150Mpa，所述第二级气体流道将气体压力由140-150Mpa减至70-80Mpa，所述第三级气体流道将气体压力由70-80Mpa减至0.5-0.1Mpa。

8.一种如权利要求6或7所述气体减压阀的3D打印制造方法，其特征在于，包括：

以不锈钢粉末为原材料，基于打印的工艺参数，采用条带式扫描方式对所述气体流道和所述过渡流道扫描打印；

采用棋盘式扫描方式对所述阀体扫描打印。

9.根据权利要求8所述的3D打印制造方法，其特征在于，单次扫描打印气体流道的实体部分和过渡流道的实体部分：切片分层厚度为10-30um/次，中等功率为100-120W，扫描速度为1100-1500mm/s，扫描间距为75-100um；两次扫描打印气体流道的内壁轮廓部分和过渡流道的内壁轮廓部分：第一次扫描打印采用高等功率为120-160W，扫描速度为900-1000mm/s，扫描间距为50-100um，第二次扫描打印采用中等功率为100-120W，扫描速度为900-1000mm/s，扫描间距为40-60um；

单次扫描打印阀体的实体部分：切片分层厚度为10-30um/次，中等功率为100-120W，扫描速度为1900-2100mm/s，扫描间距为75-100um；单次扫描打印阀体的外壁轮廓部分：采用高等功率为120-160W，扫描速度为800-1000mm/s，扫描间距为40-60um。

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