晶格结构的阀本体或调节器本体的制作方法

本公开涉及制造流体调节器或控制阀的本体，更具体地，涉及使用增材制造来制造本体。

背景技术：

用于制造流体调节器和控制阀的本体组件的常规制造工艺和技术对本体组件提出了设计和材料的限制。压力铸造或相似的适当方法在制造本体组件中面临某些阻碍，并且这些障碍通常以本体组件的设计为代价来解决。例如，对于本体的理想形状和厚度，阀本体的设计者遇到使熔融金属在铸造中流动的问题。为了解决压力铸造中固有的问题，设计者被局限于能够使用已知的方法实际上容易地制造的本体设计上。目前的制造方法要求额外的精加工工艺，这增加了人工和材料成本。

受限于常规的制造方法，典型的调节器本体或阀本体由单种材料以均匀的密度制成。为了满足某些强度要求，本体壁通常给定特定的厚度来提供控制系统所需要的强度，以承受高压力流体。因此，调节器和阀本体通常较重并通过增加本体壁的厚度来提供强度。

如图1中所示，典型的阀调节器10调节流体压力和/或流量来维持选定的出口压力，这在本领域通常是已知的。流体调节器10包括调节器本体12、控制元件14和致动器组件16。调节器本体12限定从流体入口20延伸到流体出口22的流体流动通路18。流体调节器10包括布置在流体流动通路18中并通向阀座26的孔口24。控制元件14布置在流体流动通路18中并能够在控制元件14与阀座26分离的打开位置(如图1所示)和控制元件14紧靠阀座26的闭合位置之间转变。致动器组件16被连接或可操作地耦接到控制元件14，并且被设置成响应于出口22中的流体压力变化在打开位置和闭合位置之间移动控制元件14，以控制过程流体通过孔口24的流动。致动器组件16可以是常规的，并包括隔膜组件28、负载弹簧30以及适当的阀杆32或其它适当的连杆。致动器组件和隔膜组件被封装在连接到调节器本体12的壳体34中。

调节器本体12的内壁36提供围绕入口20的区域38、围绕出口22的区域40、限定流体流动通路18的部分42、围绕容纳控制元件14的圆柱形孔44的区域43和容纳阀座26的部分46。如图1中所示的常规的流体调节器10的内壁36提供单种材料的均匀密度，通常为金属或塑料，包括黄铜、青铜、铸铁、钢、合金钢和不锈钢，或者其它适当的材料。

相应地，理想的是提供一种制造用于流体调节器和控制阀的本体的方法，其中制造工艺由设计来驱动，而不是本体的设计由制造工艺来驱动。同样，制造轻型、牢固并能够抵受典型的阀本体或调节器本体的压力的阀本体或调节器本体也是理想的。

技术实现要素：

根据一个或多个示例性方面，根据这里公开的教导组装的阀本体和/或调节器本体可通过采用增材制造(am)、激光烧结和/或三维印刷设计和制造阀本体和调节器本体来解决目前制造工艺中的限制。am消除了常规的制造工艺对于设计的限制，并且允许调节器本体或阀本体的制造和设计可基于本体的要求包括一种或多种不同的材料、变化的密度以及其它材料参数。

根据第一示例性方面，这里公开了使用增材制造来制造流体控制装置的本体的方法。所述方法包括：形成具有外表面和内表面的内壁、围绕入口的区域、围绕出口的区域和围绕流体流动通路的区域，其中所述内壁提供流体边界并连接所述入口和所述出口；形成所述内壁的、容纳阀座的一部分；形成所述内壁的、容纳控制杆和控制元件的一部分；通过以预定的图案将可凝固材料沉积到所述内壁上来形成晶格结构，其中所述晶格结构是三维的并包括多个相连的晶格部件。

根据第二示例性方面，这里公开了制造流体控制装置的本体的方法，所述方法包括：形成具有内表面和外表面的内壁；形成所述内壁的、被设置成容纳阀座的一部分；形成围绕入口的第一凸缘、围绕出口的第二凸缘以及围绕连接所述入口和所述出口的流体流动通路的一部分；形成所述内壁的、围绕孔的一部分，所述孔容纳控制元件和阀杆；以及形成具有多个相连的晶格部件的晶格结构，其中所述晶格结构被附接到所述内壁。

根据第三示例性方面，提供了流体控制装置的本体，所述本体包括：具有第一密度的内壁，其包括外表面、内表面、围绕尺寸被设定成容纳控制杆和控制元件的孔的区域、尺寸被设定成容纳阀座的区域、围绕入口的第一凸缘、围绕出口的第二凸缘和限定连接所述入口和所述出口的流体流动通路的区域；以及具有第二密度的晶格结构，其附接到所述内壁。进一步，包括以下步骤：提供被设置成容纳致动器组件和隔膜组件的壳体，其中所述壳体被配置成附接到所述内壁。

进一步地，根据前述第一、第二或第三方面中的任何一个或多个方面，本体和/或方法可进一步包括下列优选形式中的任何一个或多个。在一个优选的形式中，所述方法包括将可凝固材料直接沉积到所述内壁的所述内表面上。

在一个优选的形式中，所述方法包括将可凝固材料直接沉积到所述内壁的所述外表面上。

在一个优选的形式中，所述方法包括在所述内壁的所述外表面和所述内表面之间形成中空空间。

在一个优选的形式中，所述方法包括将可凝固材料沉积到所述中空空间内的所述内壁上。

在一个优选的形式中，所述方法包括以下步骤：沉积可凝固材料来形成所述晶格结构和外壳，其中所述晶格结构布置在所述外壳中。

在一个优选的形式中，所述方法包括将所述晶格结构形成于接收表面上，从所述接收表面移除所述晶格结构，以及将所述晶格结构附接到所述内壁。

在一个优选的形式中，所述方法包括通过以预定图案沉积可凝固材料来将所述内壁和所述晶格结构增材制造在一起，以形成三维的整体的本体。

在一个优选的形式中，所述方法包括制造所述晶格结构并将所述晶格结构附接到所述内壁的所述内表面来改变所述流体流动通路。

在一个优选的形式中，所述方法包括制造所述晶格结构并将所述晶格结构附接到所述内壁的所述外表面。

在一个优选的形式中，所述方法还包括以下步骤：识别所述内壁的局部区域的材料性能要求，以及提供所述晶格结构到所述局部区域，其中所述晶格结构包括所述局部区域的所述材料性能要求。

在一个优选的形式中，所述方法还包括以下步骤：提供所述晶格结构到所述局部区域，其中所述局部区域需要低材料强度要求。

在一个优选的形式中，所述方法还包括以下步骤：通过在多个晶格部件中的至少两个晶格部件之间提供至少一个连接件来加固所述晶格结构。

在一个优选的形式中，所述方法包括以下步骤：以预定距离布置多个晶格部件，以获得所述晶格结构的预定密度。

在一个优选的形式中，所述方法还包括通过以不同的距离布置多个晶格部件来形成非均匀的晶格结构密度。

在一个优选的形式中，所述方法包括以预定距离连接多个晶格部件来获得所述晶格结构的预定密度。

在一个优选的形式中，所述方法还包括以下步骤：向所述内壁提供无孔材料并向所述晶格结构提供多孔材料。

在一个优选的形式中，所述方法还包括以下步骤：提供布置在所述晶格结构中的胶体、气体或流体，用于绝缘。

在一个优选的形式中，所述方法还包括以下步骤：提供布置在所述晶格结构中的传感器，用于感应流动特性中的变化。

在本体的一个优选的形式中，所述晶格结构和所述内壁整体地附接。

在本体的一个优选的形式中，所述晶格结构被附接到所述内壁的所述内表面。

在本体的一个优选的形式中，所述晶格结构被附接到所述内壁的所述外表面。

在本体的一个优选的形式中，所述内壁是具有中空空间的外壳，并且所述晶格结构附接到所述中空空间内的所述外壳。

在本体的一个优选的形式中，所述晶格结构的第二密度通过改变所述多个相连的晶格部件中相连的晶格部件之间的距离而变化。

在本体的一个优选的形式中，所述晶格结构为第一材料，所述内壁为第二材料。

在本体的一个优选的形式中，所述晶格结构包括至少一个连接所述多个晶格部件中的至少两个晶格部件的连接件。

在本体的一个优选的形式中，所述晶格结构通过改变所述连接件的厚度而具有不同的强度。

在本体的一个优选的形式中，所述晶格结构通过焊接连接到所述内壁。

在本体的一个优选的形式中，所述本体还包括布置在所述晶格结构中的传感器、胶体或惰性气体。

附图说明

图1示出了已知的流体调节器的横截面视图。

图2示出了根据本公开的第一示例性布置的教导组装的调节器本体或阀本体和晶格结构的横截面视图。

图3示出了根据本公开的第二示例性布置的教导组装的调节器本体或阀本体和晶格结构的横截面视图。

图4a示出了根据本公开的第三示例性布置的教导组装的调节器本体或阀本体和晶格结构的横截面视图。

图4b示出了图4a的本体和晶格结构的顶部横截面视图。

图5示出了图4a和图4b的晶格结构的正视图。

图6a为放大的局部横截面视图，示出了根据这里描述的教导组装的晶格结构的两个晶格部件的第一示例性布置。

图6b为放大的局部横截面视图，示出了根据这里描述的教导组装的晶格结构的两个晶格部件的第二示例性布置。

图6c为放大的局部横截面视图，示出了根据这里描述的教导组装的三个晶格部件的示例性布置。

具体实施方式

现参见附图的特定实施例，图2-图4b示出了通过增材制造(am)、激光烧结、立体平版印刷和/或工业三维印刷中的一种或多种来制造调节器本体或阀本体的方法和装置。

现参见图2，用于流体调节器或控制阀的本体112可以至少部分地通过am制造。本体112可以代替图1中的流体调节器10的本体12或控制阀的本体。本体112包括内壁136，内壁136包括围绕流体入口120的可包括第一凸缘的区域138、围绕流体出口122的可包括第二凸缘的区域140和限定连接入口120和出口122的流体流动通路118的区域142。内壁136包括围绕圆柱形孔144的区域143，圆柱形孔144的尺寸被设定成容纳控制杆和控制元件。内壁136可包括区域146，区域146的尺寸被设定成容纳布置在流体流动通路118中位于入口120和出口122之间的阀座。内壁136包括内表面148和外表面150。

图2的本体包括至少一个晶格结构152，晶格结构152包括通过am或其它适当的方法形成的多个相连的晶格部件154。晶格结构152和内壁136可以是整体地附接。晶格结构152在围绕入口120的区域138、围绕出口122的区域140、围绕流体流动通路118的区域142和围绕孔144的区域143的至少一部分处被附接到内壁136的外表面150。晶格结构152可以是多孔的，具有与内壁136的密度不同的密度。如下将更详细地描述，晶格结构152由布置在相连的晶胞单元中的多个相连的晶格部件154制成，以形成三维结构。气穴可形成在晶格部件154之间，提供更轻且不密实的本体112。由于图2-图6中的结构相似性，仅仅新组件将给出新的附图标记。

图2的本体112可以被特定设计来适应其被制造所用于的流体控制装置或系统的需求。图2中所示的晶格结构152被附接到内壁136的外表面150，以向内壁136提供支撑并减小本体112的重量。在该实施例中，晶格结构152布置在内壁136的外表面150上，使得过程流体不会与晶格结构152相互作用。内壁136可在内壁136的外表面150和过程流体之间提供不可渗透的屏蔽。在内壁136发生泄漏的情形下，晶格结构152可以装配有可感应内壁136中的泄漏、破裂或震动的传感器。

现关注于内壁136的围绕流体流动通路118的区域142，内壁136具有厚度t，其小于图1的本体12的内壁36的厚度。晶格结构152可添加到本体112的整个厚度上，但是实心无孔的内壁136的厚度减小，由此减小了本体112的整体重量。尽管晶格结构152可以是不密实并且有孔的，但是晶格结构152可被设计成特别向与其附接的内壁136的区域提供结构支撑。晶格结构152可以通过am与本体112的内壁136一体地或者分离地制造。优选地，晶格结构152和本体112的内壁136一起被设计成三维模型然后通过am或者特别通过直接金属激光烧结(dmls)被制成单个本体112。图3的晶格结构152可以具有与内壁136相同或者不同的材料，并且可以具有与内壁136相同或不同的密度。晶格结构152可以通过焊接、粘结或其它方式附接到内壁136。

现在转向图3，至少一个晶格结构152被附接到内壁136的内表面148，内壁136的外表面150是无孔的并且均匀的。由于其多孔性，晶格结构152可以附接到或者直接形成到内壁136的内表面148上，以改变流体流动通路118，并因此改变过程流体通过本体112的流动。例如，过程流体可以在晶格结构152的空间和/或气穴内自由地流动，这可以使通过本体112的过程流体的流动转变方向或者散开。与图2的本体112相似，图3的本体112可以具有比图1的常规本体12更轻的重量并可提供非均匀的密度。围绕入口120的区域138、限定流体流动通路118的区域142、围绕孔144的区域143以及成形来容纳阀座的区域146至少部分地由晶格结构152形成。晶格结构152取代内壁136的区域可以通过进行有限元分析来确定，这将在下面进一步详细描述。布置在内壁136的内表面148上的晶格结构152可以被设置成使得过程流体的流动随着晶格部件的结构和连接而变化。

图4a和图4b示出了第三示例性本体112，其中内壁136是中空外壳160，其具有在外壳160的第一内表面164和外壳160的第二内表面166之间的中空空间162。晶格结构152在中空区域162中布置或者附接到外壳160的第一内表面164和第二内表面166。图4b示出了图4a的横截面a-a的顶视图。晶格结构152可以贯穿本体112的内壁136布置，但是仍然通过内壁136的外表面150和内表面148隔离。在该情形下，本体的重量比图1中的常规本体12更轻。晶格结构152贯穿本体112在密度上可以变化，以在本体112的某些区域增加结构支撑、分布压力并增加强度。晶格结构152可以单独地制造，然后放置在外壳160的中空空间162中，或者晶格结构152通过am，即由连续多层可凝固材料沉积，而直接形成在内壁136上。

图5示出了图4a和图4b的晶格结构152的正视图，不具有本体112的外壳160。图5中的晶格结构152是均匀的，但是在晶格结构152提供高度集中的晶胞单元，即更多相连的晶格部件154的一些区域中，或者可以在某些区域中提供更厚的晶格部件154来加固本体112的薄弱区域的一些区域中可以设计成具有非均匀的密度。晶格结构152可以取代如图2-图3中所示的本体112的一些部分，或者晶格结构152可以基本上形成内壁136，包括围绕入口120的区域138、围绕出口122的区域140、限定流体流动通路118的区域142、围绕孔144的区域143和本体112的其它部分。晶格结构152的形状可被设计成形成任何调节器本体或阀本体的结构，并不限于图5的晶格结构152。在优选的布置中，外壳160和晶格结构152可以使用dmls制造，其中孔洞168形成在外壳160和晶格结构152中，使得过程中使用的多余的粉末能够去除。然后，孔洞168用焊缝或者安装件密封。孔洞可以是用于将胶体、气体或液体引入本体中的导管。相反地，图3的本体112不需要在制造过程中形成孔洞，因为制造产生的多余的粉末能够从孔144、入口120或出口122轻易地去除。

现转向图5和图6a-图6c，晶格部件154相互连接来形成这里示出的晶格结构152。多个晶格部件154形成相连的晶胞单元169的图案，其可以重复特定图案来提供完整的晶格结构152。在图示的实施例中，晶胞单元169是立方晶胞，其中至少12个晶格部件连接在三维空间内。每个晶格部件154以90°角连接到另一个晶格部件154，每个部件与相似定位的平行的晶格部件154分开预定距离间隔。图5的均匀晶格结构152的横截面b-b与正交于b-b的横截面是相似的或者基本相似的。换言之，立方晶胞单元169在整个晶格结构152中是均匀的，在三维中提供平行的晶格部件154连接到垂直的晶格部件154。在任意一点，晶胞单元169保持相同或基本相同。

图5仅仅是三维晶格结构152的一种示例，这里描述的晶格结构152可以是相连的晶格部件154的多种组合中的任意一种。例如，晶格部件154可以以不同的角度连接，分开不同的距离，并可包括不同的长度和厚度。整个晶格结构152可以是均匀的，如图5中所示，或者晶格结构152可以是非均匀的，在本体112的预定局部区域具有特定的密度。在一些实施例中，晶胞单元169的密度可以变化，形成具有非均匀密度的晶格结构152。晶格结构152的密度可以通过改变相连的晶格部件154之间的距离而变化。晶格结构152可通过减小晶格部件154之间的距离来在所需之处提供强度，并可通过增加晶格部件154之间的距离来在不需要强度的地方减小重量。

图5的截面b-b在图6a中部分地图示，示出了部分晶胞单元169沿二维x-y平面的横截面，包括第一晶格部件154和第二晶格部件170。晶格部件154、170是平行的，并附接或连接到垂直的接收表面172。接收表面172可以是第三晶格部件154、本体112的内壁136的内表面148或外表面150或者其它的平面。具有预定半径r的加固连接件174在第一晶格部件154的至少一侧176上将第一晶格部件154连接到接收表面172。第二加固连接件174在至少一侧176上将第二晶格部件170连接到接收表面172。加固连接件174向晶胞单元169并因此向晶格结构152提供结构支撑和加固。图6b示出了第一晶格部件154和第二晶格部件170以及具有半径r的加固连接件178的另一种布置，加固连接件178将第一晶格部件154连接到接收表面172并连接到平行的第二晶格部件170。晶格结构152的强度可以根据加固连接件174、178的变化的厚度而变化。在该实施例中，加固连接件178是圆弧形，但也可以是矩形或其它的几何形状。

如图6c中所示，晶格结构152可通过将每个晶胞单元169的晶格部件154布置成更靠近一起来提供额外的结构支撑或强度。晶格部件154与第二晶格部件170分隔距离d，其小于图6b中晶格部件154、170之间的距离f。通过以更短距离布置晶格部件154，每个晶胞单元169的密度增加。在晶格部件154以距离f布置的位置，例如图6b的晶格部件154、170，晶格结构152可在该区域提供第一密度，或者晶格部件154可以分隔距离d，以得到较大的第二密度。晶格部件154之间的更短距离和加固连接件174、178可缓和应力梯级，并向本体112的这些区域提供增加的支撑。晶格结构152的设计可以通过调整本体112的三维模型来调整或者定制，以提供具有不同晶格部件厚度、长度、以不同距离布置、以不同角度连接并由不同的加固连接件174、178所支撑的晶胞单元169。另外，晶胞单元169可以是立方体的、三斜的、单斜的、斜方的、四方的、菱面体的或六方的。

在一个优选的方法中，本体112可通过am制造，具有作为整体件的晶格结构152。例如，这里描述和例举的制造本体112的方法可包括形成具有外表面150和内表面148的内壁136、围绕入口120的区域138、围绕出口122的区域140和围绕流体流动通路118的区域142，其中内壁136提供流体边界并连接入口120和出口122。该方法还包括形成内壁136的容纳阀座的一部分146，形成内壁的容纳控制杆和控制元件的一部分143，以及形成晶格结构152。形成晶格结构152可包括以预定的图案将可凝固材料沉积到内壁136上，其中晶格结构152是三维的并包括多个相连的晶格部件154。图2-图5中所示的晶格结构152可以通过将可凝固材料直接沉积到内壁136的外表面150(图2)、内壁136的内表面148(图3)或沉积到在外壳160的中空空间162中的内壁136(图4a-图4b)来形成。该可凝固材料可以是金属的精细粉末、复合材料或者通过烧结或其它适当方法粘接有其它沉积层的聚合物。

为了减小阀本体或调节器本体的重量，该方法可进一步包括进行fea来将材料的量最小化，并将本体112的主要区域中梯级或支撑结构的使用以及更轻材料的使用最优化。除了提供更轻的本体112，晶格结构152可通过在本体112中重新分布应力来提供结构支撑。本体112的fea可有助于有效地优化晶格结构152在本体112中的使用，并为本体112中的特定局部有效地设计晶格结构152。fea的结果可以识别本体112的受到大部分应力、压力、外力或其它可测量的材料性能的区域。相似地，没有提供支撑或者不需要关于强度的材料性能的区域能够被识别。根据fea的结果，设计者可以确定本体的哪些区域能够被晶格结构152取代。更具体地，设计者可以设计分配应力、支撑内壁136并且减小整体本体重量的晶格结构152来实施在本体112中。例如，fea可确定本体112的某些区域不需要在特定厚度和材料的本体112中具有固有的特定强度。一旦确定了该区域，可以提供特别为该局部区域所设计的本体112和晶格结构152的三维模型。在另一实施例中，本体112的内壁136可以使用常规的工艺制造，然后被铣削或者成形来向晶格结构152提供接收表面172。

晶格结构152可以通过焊接、粘结或其它适当的方法附接到内壁136，或者它可以通过am直接制造到内壁136的表面上。如图2-图4b中所示，晶格结构152可以附接或者印刷在内表面148、外表面150或者中空外壳160的第一内表面164和第二内表面166上。晶格结构152可以通过将可凝固材料沉积到接收表面上、从接收表面去除晶格结构152以及将晶格结构附接到内壁136而形成。本体112可以被制造成单个三维整体的本体112，或者可以被制造成单独的部分然后组合来形成单个本体。首先内壁136可以使用已知的方法铸造，然后晶格结构152被附接到内壁。这里图示和描述的本体112可以改变并配置成耦接或者连接到控制阀或流体调节器的其它部分。

晶格结构152可形成不同的形状、密度和强度以满足本体112的需求。晶格结构152可以是第一材料，并且内壁136可以是第二材料。本体112可以基于本体112的需求，例如强度、弹性和绝缘等，由一种或多种材料制成，并可通过常规的方法和/或通过增材制造来部分地制造。内壁136和晶格结构152可以是相同或者不同的材料。例如，内壁136可以是对过程流体有抵抗作用的材料，晶格结构152可以是与内壁136不同的提供强度的材料。晶格结构152可以是可渗透的、不可渗透的，和/或可具有不同的形状和晶格结构形态。晶格结构152的气穴可以使用惰性气体、胶体或流体密封，以提供绝缘或者阻止过程中的化学物经由内壁136泄漏并损坏本体112。传感器可以布置在晶格结构152中，以探测内壁136中的泄漏或震动。该传感器可以被配置成引导流动远离内壁破裂或以特定的方式配置。该传感器还可去除、减少或者改变过程流体的温度。

通过阅读以上公开内容，本领域的技术人员将理解制造流体控制系统的本体组件的常规方法仅提供具有均匀密度的本体，以及通过形成单种适当材料的厚壁来提供强度。因为本体的设计驱动制造工艺，而不是工艺驱动设计，所以结合通过增材制造所形成的晶格结构不同于目前的实践。该晶格结构可被设计成具有能够再次分布本体的应力并提供额外的结构支撑的形状和结构。对于结合有6”尺寸或更大的作为内壁一部分的晶格结构的本体，本体的重量要比通过常规的方法所制造的本体更轻。

另外地，本领域技术人员将理解am可以利用可获得的并适合于制造和设计根据本发明的调节器本体或阀本体的任意数目的三维印刷机或am机器。增材制造允许设计驱动的制造工艺，使得流体控制系统的本体组件能够基于设计需求来制造，而不是基于制造方法的限制和有限的能力。am提供设计灵活性、新材料和结构的集成以及本体组件的定制。am可用来设计轻型、牢固、可定制和复杂的结构，由此节省了与精加工工艺相关的劳力和材料的成本。增材制造允许每个阀本体根据其所使用的工艺的要求来进行定制。