管道的增材制造的制作方法

相关申请

本申请要求于2014年11月13日提交的名称为“管道的增材制造”的临时专利申请no.62/079,187的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

本发明一般涉及管道制造，且特别涉及管道的增材制造。

背景技术：

作为电能的可再生能源，海洋热能转换(otec)得到了越来越多的关注。otec使用海洋的自然热梯度来发电。在温暖的地表水和寒冷的深水的地理区域里，可以利用温差来驱动蒸汽循环，其会转动涡轮并生成动力。温暖表面海水穿过热交换器，蒸发低沸点工质以驱动涡轮发电机，从而生成电力。

不幸的是，otec方面的挑战为对冷水管(cwp)的需求，所述冷水管必须能够将大量的水从海洋深处吸到海平面上。

在otec中使用的cwp非常长，并且具有巨大的直径。例如，cwp的直径可为4米(m)，长度可达1000米以上。常规的cwp是就地建造的，通过将较小的管段连接在一起以形成所需长度的cwp，或者通过在深水位置模制管的各段并在模制时将它们组装。常规的cwp建造技术存在诸多问题，包括：建造这样一种管道所需的时间，以及模制管的各段所需的空间。这些问题本身就会使otec的许多其它合适的应用不可行。因此，避免这些问题的cwp制造技术将是有益的。

技术实现要素：

本发明涉及使用增材制造的用于生产管道的机构。这些实施方式有助于就地垂直生成比较长的具有比较大的直径的管道。在一些实施方式里，管道的内径可以超过4米(m)，并且该管道具有大于1000米的长度。在其它特性中，所述实施方式大大减少了在海洋热能转换(otec)系统中安装冷水管(cwp)所需的时间。

在一个实施方式里，提供了一种系统。所述系统包括一降低机构，被配置用于与平台相连接并用于通过该平台的开口降低管道组件。所述系统还包括一挤出头，被配置用于接收材料并用于通过喷嘴选择性挤出所述材料。一架台，被连接到所述挤出头，并且被配置用于将所述挤出头移动到指定位置。一控制器，被连接到所述架台，并且被配置用于控制所述架台以根据管道数据移动所述挤出头，所述管道数据识别管道组件的几何结构。一稳定机构，被配置用于将管道组件保持在所需的位置。

在一个实施方式里，所述降低机构包含有包括相应缆绳的多个绞盘，其中每条缆绳被配置用于连接到所述管道组件。在一个实施方式里，所述管道组件可包括材料环，如配重块，在其上生成管道壁。

在一个实施方式里，所述材料包含高密度聚乙烯。

在一个实施方式里，所述控制器被配置用于引导所述挤出头生成所述管道组件的管道壁，作为蜂窝结构。所述蜂窝结构的特征在于空隙与材料之比。在一个实施方式里，所述空隙与材料之比沿着管道壁的纵向长度而变化。

在一个实施方式里，所述控制器连接至所述降低机构，并且被进一步配置用于选择性地发信号给所述降低机构以进入暂停模式或进入降低模式。在一个实施方式里，所述控制器被进一步配置用于发信号给所述架台以使得所述挤出头围绕所述管道组件的一末端移动，发信号给所述挤出头以将一层材料挤出到所述管道组件的所述末端的顶部边缘，并且，在该层材料被挤出到所述管道组件的所述末端的顶部边缘之后，发信号给所述降低机构以进入降低模式，以将所述管道组件降低一预定距离。

在另一实施方式中，提供了一种用于生成管道组件的方法。一材料环相对于所述挤出头而被放置。所述材料环被连接到一降低机构。材料被挤出在材料环的顶部上以形成所述材料环的管道壁。迭代地，所述材料环与所述管道壁被降低一预定的距离，并且所述材料被挤出在管道壁上，以延伸管道壁直到管道壁达到所需的长度。

在一个实施方式中，所述平台形成一个开口，并且所述材料环与所述管道壁通过该平台中的开口被降低。在一个实施方式中，所述平台处于水体里，例如海洋，并且所述材料环与所述管道壁通过该平台中的开口被降低至进入水体中。

在阅读以下详细描述的实施例及其附图的之后，本领域技术人员可以理解本发明的范围和能够实现它们的另外的方面。

附图说明

图1为海洋中的一个海洋热能转换(otec)系统的示意图；

图2为根据一个实施例所述的用于生成管道组件的系统的框图；

图3为一幅简化图，示出了根据一个实施例所述的用于生成管道组件的系统的某些组件；

图4为根据一个实施例所述的生成管道组件的方法的流程图；

图5为根据一个实施例所述的用于生成管道组件的系统的透视图；

图6为图5中所示系统的更详细的透视图；

图7为从不同于如图6所示的角度示出的图6中所示系统的透视图；以及

图8为根据一个实施例所述的管道组件的管道壁的顶部边缘的渲染图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以下描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

为了说明的目的，本文讨论的任何流程图必须以某种顺序进行讨论，但除非另有明确说明，所述实施例并不限于任何特定的步骤顺序。本文结合一数值所使用的术语“约”的意思是，比该数值大10％到比该数值小10％的范围内的任何值。

所述实施例涉及一种利用增材制造的管道组装系统。所述实施例有助于就地生成具有比较大的直径的一根比较长的管道。在一些实施例中，所述管道可具有超过4米(m)的内径，且具有超过1000m的长度。在其它特性中，所述实施例大大减少了在海洋热能转换(otec)系统中安装冷水管(cwp)所需的时间。所述实施例也大幅减少了组装cwp所需的结构的尺寸。

图1为海洋12中的一个otec系统10的示意图。常规otec系统的某些元件已被省略。所述otec系统10包括一个cwp组件14，其从海洋12的表面区域16延伸到海洋12的深水区域18。所述cwp组件14可包括一个砝码，如配重块20，其有助于在操作期间稳定所述cwp组件14。在一些装置中，所述cwp组件14可以锚定到海底22。

在一些实施例中，所述cwp组件14可具有1000米或更长的纵向长度，并且可具有超过12英尺的直径。用于实施cwp组件14的常规机构包括，在otec系统10的位置将许多较小的管段连接在一起，或者在otec系统10的位置模制多个管段并在它们被模制后组装。常规的制造技术存在诸多问题，包括：制造cwp组件14所需的时间量以及所需的空间量。一旦完成并实施了cwp组件14，所述cwp组件14的大部分就会处于水下，并因此相对免受极端天气的影响，所述极端天气例如为飓风、龙卷风等。然而，在组装所述cwp组件14的过程中，所述cwp组件14在极端天气的情况下可能相对容易被损坏。因此，制造cwp组件14所需的时间越长，恶劣天气损坏部分组装的cwp组件14的可能性就越高。

图2为根据一个实施例所述的用于生成管道组件的系统24的框图。所述系统24在otec平台26上实施，所述otec平台26形成一开口，随着所述cwp组件的制造，所述cwp组件可通过该开口被降低至进入如海洋等水体中。所述otec平台26可包含：例如锚定在海洋的深水位置的一个深水平台，如超过1000米深的位置。一个控制器28包括处理器30和存储器32，并且其负责实施和/或协调本文所述的各种功能。一个降低机构34被连接至正在生成的管道组件，并且如本文更详细地描述的，通过otec平台26中的开口将管道组件降低至进入水体里。所述降低机构34可以包括能够降低物体的任何合适的结构和组件。在一个实施例中，所述降低机构34包括多个绞盘，每个绞盘包括一可以选择性地抽出或延伸的缆绳。所述缆绳被连接到管道组件，并且随着所述管道组件的制造迭代地延伸以通过所述开口缓慢降低管道组件至进入所述海洋。

架台36被连接至挤出头38，并且其被配置用于根据管道数据移动所述挤出头38，所述管道数据识别管道组件的几何结构。在一个实施例中，所述控制器28访问一数据结构，如包含管道数据的文件，并且引导架台36以根据所述管道数据移动所述挤出头38。所述管道数据可以是任何期望的格式，如作为非限制性示例的一种g代码格式。一个稳定机构40被配置用于在挤出材料的过程中将管道保持在所需的位置。所述稳定机构40可以包括能够稳定管道组件的任何合适的结构和组件，并且在一个实施例里，其包含分别围绕所述管道组件的圆周定位的多个辊，并且这些辊被配置用于从各个方向对该管道组件施加力，以使得该管道组件被保持在所需的位置。通常情况下，所述实施例在垂直方向生成所述管道组件。

图3为一幅简化图，示出了根据一个实施例所述的系统24的某些组件。所述挤出头38从材料源(未示出)接收材料，如高密度聚乙烯(hdpe)。任何其它可挤出的材料，如作为非限制性示例的热塑性塑料，聚氯乙烯，丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)，或者乳酸聚合物(pla)也可被使用。所述挤出头38将材料挤出到管道组件46的管道壁44的顶部边缘42上。所述管道组件46通过稳定机构40而被保持在所需的位置上，在此实施例里，所述稳定机构40包含一对相对设置的辊式导轨。在一个实施例中，所述管道组件46包括一个材料环48，如一个配重块，其既可提供一起始表面用于沉积材料以形成管道壁44又可提供重量以协助稳定所述管道组件46，当所述管道组件46生成的时候。所述降低机构34被连接至所述材料环48。所述材料环48可包含任何所需的材料，包括作为非限制性示例的铝，不锈钢或其他非腐蚀性金属，玻璃纤维，机加工塑料等等。

在运行过程中，所述材料环48首先相对于所述挤出头38而被定位，然后被连接至所述降低机构34。所述控制器28(图2)引导架台36按照管道数据以圆形图案移动所述挤出头38，以在所述材料环48上形成初始管道壁段。随后，所述控制器28迭代地控制所述降低机构34以将管道组件46下降一预定距离，然后控制架台36和/或挤出头38在之前形成的管道壁段上形成一个额外的管道壁段，从而延长所述管道组件46的长度。此过程被不断重复直至所述管道组件46达到所需的长度。在一个实施例里，在所述管道组件46已被生成至所需的长度之后，所述控制器28控制架台36和/或挤出头38以在所述管道组件46的端面之上形成一凸缘。所述凸缘可具有比管道组件46的外径更大的外径，并且可被用于将所述管道组件46固定到otec系统中的另一部件上。

图4为根据一个实施例所述的生成管道组件46的方法的流程图。首先，材料环48或其它类似的支撑结构相对于挤出头38(方框100)而被定位。所述材料环48以任何所需的方式被连接至所述降低机构34(方框102)。例如，所述材料环48可以用附接机构制造，所述降低机构34的缆绳可连接至所述附接机构。所述挤出头38在材料环48的顶部上挤出所述材料，以在材料环48(方框104)上形成一个管道壁段。所述管道壁段可包含一材料单层。所述材料层的厚度(即每个管道壁段的高度)可取决于被挤出的特定材料，但在一些实施例内，所述材料层可能小于1英寸厚。在一些实施例中，所述挤出头38可被配置用于加热所述材料。所述降低机构34将所述管道组件46降低一预定距离(方框106)。所述预定距离可与被挤出到所述管道组件46上的每个管道壁段的高度相同。这个过程被迭代地重复直至所述管道组件46达到所需的长度(方框110)。所述管道组件46的管道壁是一体成型的。在所述管道组件46达到所需长度之后，可在所述管道组件46的末端上可选地形成凸缘(方框112)。

图5为根据一个实施例所述的系统24的透视图。

图6为图5中所示系统24的更详细的透视图。在此实施例内，所述架台36包含多个杆，沿着这些杆，所述挤出头38可移动以在所述管道组件46上挤出材料。所述架台36被配置用于将挤出头38移动到所指定的位置，例如围绕管道组件46的顶部边缘。在此实施例中，所述降低机构34包含四个绞盘/缆绳组件(两个被标记)，它们被连接至所述平台26并且随着管道组件46被生成而通过所述平台26中的开口将所述管道组件46降低至进入水体。在此实施例里，一外壳50对环境是敞开的。然而，在某些实施例中，所述外壳50可以是封闭的，并且可选地，封闭的容积可被加热以有助于材料的软化和挤出。

在一些实施例中，所述控制器28根据管道数据52控制架台36以移动所述挤出头38，所述管道数据52识别管道组件46的几何结构。所述稳定机构(未示出)将管道组件46保持在所需的位置中。如图所示，所述管道组件46可以相对于水平线而在垂直方向上生成。所述控制器28选择性地发信号给所述降低机构34以进入暂停模式或进入降低模式。具体地，在一个实施例中，所述控制器28发信号给所述降低机构34以进入暂停模式，以暂停管道组件46的垂直运动。所述控制器28控制所述架台36以使得所述挤出头38围绕所述管道组件46的一末端移动，并且发信号给所述挤出头38以将一层材料挤出到所述管道组件46的末端上。在该层材料被挤出到所述管道组件46的所述末端的顶部边缘上之后，所述控制器28发信号给所述降低机构34以进入降低模式，以将所述管道组件46降低一预定距离，例如等于挤出到所述管道组件46的所述末端的顶部边缘上的该层材料的厚度的一段距离。

图7为从不同于如图6所示的角度示出的图6中所示系统24的透视图。除了其它特性以外，图7还示出了在平台26中形成的开口54，随着管道组件46正在制造，所述管道组件46通过所述开口54而被降低。

图8为根据一个实施例所述的管道组件46的管道壁58的顶部边缘56的渲染图。在此实施例中，所述管道壁58包含一种蜂窝结构。所述蜂窝结构的特征在于空隙与材料之比这一术语。在某些实施例中，所述空隙与材料之比沿着管道壁58的长度而变化。例如，在管道组件46底部的所述空隙与材料之比可大于在管道组件46顶部的所述空隙与材料之比。尤其是，洋流和在管道组件46上的其它作用力在水体的较深部分可低于该水体的上部。因此，相较于管道组件46的上部，管道组件46的下部可能需要较少的结构完整性，并且可能需要较少的材料来生成管道组件46的下部。

所述管道组件46的空隙与材料之比可沿着所述管道组件46的纵向长度不断变化，考虑到所述管道组件46的各部分会位于的操作深度。可选地，所述空隙与材料之比可沿着所述管道组件46的纵向长度逐步改变，再次考虑到所述管道组件46的各部分会位于的操作深度。所述管道组件46的管道壁44可以是任何所需的厚度。在一些实施例中，所述管道壁44可在约2英寸至约2英尺厚的范围内。所述管道组件46的管道壁44的厚度还可沿着管道组件46的纵向长度变化。在沿管道组件46的任何点上的特定的空隙与材料之比可取决于多个参数，包括：作为非限制性示例的所需的轴向刚度，所需的弹性，所需的环向强度以及沿着管道组件46的每个相应深度处所需的浮力。在其它实施例内，所述管道壁44可为固体的非蜂窝结构，其厚度根据操作深度而变化，所述管道组件46的各部分将会位于所述操作深度。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。