隨著對(duì)數(shù)字化、流程模擬、設(shè)計(jì)和控制工程的不斷研究和改進(jìn)，過(guò)程自動(dòng)化產(chǎn)品也在定期重新設(shè)計(jì)和開發(fā)。技術(shù)創(chuàng)新，例如現(xiàn)在的快速成型制造，為傳統(tǒng)的減法制造方法帶來(lái)了許多新的機(jī)遇。在本案例研究中，看看德國(guó)閥門企業(yè)SAMSON是如何應(yīng)對(duì)開發(fā)采用快速成型技術(shù)制造的壓力設(shè)備產(chǎn)品線時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。

歐洲壓力設(shè)備指令

與容器、管道或非燃燒壓力容器類似，閥門和最終控制元件如果承受的最大允許壓力大于7.25 psi（0.5bar），則被歸類為 “壓力設(shè)備”。壓力設(shè)備制造商必須確保其產(chǎn)品的安全性，同時(shí)保證歐盟市場(chǎng)的公平競(jìng)爭(zhēng)。

與美國(guó)的ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范 (BPVC)一樣，歐洲壓力容器制造商必須遵守歐洲壓力設(shè)備指令 2014/68/EU (PED)，該指令規(guī)定了歐盟制造商的相關(guān)制造要求。具體的產(chǎn)品要求見協(xié)調(diào)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，如工業(yè)閥門的 EN 16668、金屬工業(yè)管道的 EN 13480 或未燃燒壓力容器的 EN 13445。

這些標(biāo)準(zhǔn)通常會(huì)在適用時(shí)參考其他支持性協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)要求適用于材料特性和制造程序。對(duì)這些制造程序規(guī)定了定期審查和審核。某些危險(xiǎn)分類（PED 類別 I 至 IV）的產(chǎn)品還必須通過(guò)適用的附加組織（稱為指定機(jī)構(gòu)組織）的認(rèn)證，并貼有 CE 標(biāo)志才能進(jìn)入歐盟市場(chǎng)（類似于美國(guó)的 UL 認(rèn)證）。

圖1 中型閥芯的三層印刷（150 件）（圖片來(lái)源：SAMSON）

圖2 高負(fù)荷閥門裝飾件，如分流板。（圖片來(lái)源：SAMSON）

材料挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)人員和制造商通常會(huì)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求為某個(gè)部件選擇材料。這可確保所選材料符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的適用安全要求和技術(shù)特性，例如確保壓力設(shè)備的尺寸符合 PED 或 ASME BPVC 所要求的基本安全要求。然而，統(tǒng)一材料標(biāo)準(zhǔn)并不涉及可能影響材料特性的制造程序（如焊接、成型），也不涉及材料是否適合特定設(shè)備或終端應(yīng)用。

這些問(wèn)題必須由制造商和客戶根據(jù)自己的需求分別進(jìn)行評(píng)估。在出口產(chǎn)品時(shí)，使用統(tǒng)一的材料可以帶來(lái)巨大的好處，確保產(chǎn)品符合不同司法管轄區(qū)的規(guī)范。然而，使用快速成型制造方法面臨的主要挑戰(zhàn)之一是，目前還沒有針對(duì)快速成型制造材料的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

材料的化學(xué)成分由所用原料（金屬粉末）決定。而金屬的分子結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能則取決于用于制造坯料（半成品）的添加劑制造程序。因此，根據(jù) PED 的規(guī)定，所有制造添加劑制造坯料的人都被視為材料制造商。而那些將快速成型坯料進(jìn)一步加工成成品部件或待售最終產(chǎn)品的人，則被視為快速成型壓力設(shè)備的設(shè)備制造商和分銷商。這與制造鑄件所涉及的工藝鏈相當(dāng)。因此，其他符合 PED 的解決方案必須適用于 PED 意義上的統(tǒng)一材料和成品。

整體工藝要求

解決缺乏標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題的一種方法是，對(duì)于未在統(tǒng)一材料標(biāo)準(zhǔn)中引用的材料，采用 PED 規(guī)定的替代解決方案。在這種方法中，材料是根據(jù)特殊材料評(píng)估（PMA）進(jìn)行鑒定的。prEN 13445-14（標(biāo)準(zhǔn)草案）、DIN TS 17026（DIN 是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）以及 EN 764-4 和 EN 764-5 水平標(biāo)準(zhǔn)提供了額外支持。如下所述，SAMSON 已選擇采用這種方法。

PMA 由 SAMSON 作為設(shè)備制造商為其使用的每種快速成型材料簽發(fā)。除了對(duì)基本材料系數(shù)的要求外，PMA 還包含與材料、材料制造商、產(chǎn)品類型、形狀以及具體測(cè)試和取樣相關(guān)的更多數(shù)據(jù)。

要使用標(biāo)準(zhǔn)化 PMA 協(xié)調(diào)添加式制造材料，需要參考制造添加式制造坯料的材料制造商的材料規(guī)格，制造商必須通過(guò)出具特定產(chǎn)品測(cè)試證書（根據(jù)DIN EN 10204標(biāo)準(zhǔn)的3.1檢驗(yàn)證書，或與指定機(jī)構(gòu)合作：根據(jù) DIN EN 10204 標(biāo)準(zhǔn)的3.2檢驗(yàn)證書）來(lái)確認(rèn)和記錄材料規(guī)格的符合性。

希望執(zhí)行該程序的添加劑材料制造商應(yīng)通過(guò)ISO 9001認(rèn)證，并擁有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的質(zhì)量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)已通過(guò)材料的特定評(píng)估，例如，符合PED附件I (4.3)。此外，材料制造商的認(rèn)證范圍必須涵蓋基本的材料規(guī)格和制造程序。這樣，材料規(guī)格就可以與統(tǒng)一材料標(biāo)準(zhǔn)一樣來(lái)看待或使用，而在本例中，統(tǒng)一材料標(biāo)準(zhǔn)還不存在。

在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，材料制造商必須確保成品的可追溯性，直至所使用的原料批次。在本示例中，SAMSON 公司從資格鑒定和認(rèn)證流程的一開始就將坯料制造商（材料制造商）和壓力設(shè)備制造商（設(shè)備制造商和經(jīng)銷商）明確分開。

這使得SAMSON能夠從獲得 PED 認(rèn)證的材料制造商處采購(gòu)快速成型坯料，并進(jìn)一步加工該坯料，然后作為獲得 PED 認(rèn)證的設(shè)備制造商進(jìn)行銷售。

由于SAMSON同時(shí)也是獲得認(rèn)證的添加劑材料制造商，因此該公司可以在內(nèi)部管理從采購(gòu)金屬原料到交付成品閥門的整個(gè)流程。

根據(jù)PED第 4 (3) 條的規(guī)定，制造商只能銷售表壓極小或壓力和體積極低的壓力設(shè)備，前提是該設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造符合合理的工程實(shí)踐。

在大多數(shù)閥門應(yīng)用中，壓力設(shè)備都超出了這一危險(xiǎn)等級(jí)，這意味著設(shè)備制造商必須確保設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造符合PED附件 I 中規(guī)定的基本安全要求。

為實(shí)現(xiàn)合規(guī)性，設(shè)備制造商必須提供附件 III 中提及的所有技術(shù)文件，并執(zhí)行PED第 14 條中提及的所有相關(guān)合規(guī)性評(píng)估程序。

在成功完成這些程序后，制造商必須起草一份歐盟合格聲明，并在設(shè)備上貼上CE標(biāo)志，表明該設(shè)備已通過(guò)相關(guān)指定機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。

適用于壓力設(shè)備的具體符合性評(píng)估程序取決于其危險(xiǎn)等級(jí)分類（按危險(xiǎn)等級(jí)遞增的 I 至 IV 類）。

實(shí)施

對(duì)于批量生產(chǎn)的制造商來(lái)說(shuō)，由于需要投入大量的工作和資金，根據(jù)指定機(jī)構(gòu)的單個(gè)設(shè)備驗(yàn)證（模塊 G）來(lái)評(píng)估符合性是沒有意義的。如果采用快速成型技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品與傳統(tǒng)制造的產(chǎn)品屬于同一類別，那么即使是小批量生產(chǎn)，在經(jīng)濟(jì)上也是可行的。

圖3 DN50 PN40閥門、閥體和閥蓋的快速制造試驗(yàn)批量。（圖片來(lái)源:SAMSON）

為進(jìn)行初始認(rèn)證，SAMSON 決定以添加式制造的 3251-AM 型高壓閥門對(duì)其 3251 型高壓閥門進(jìn)行認(rèn)證，該閥門已在市場(chǎng)上得到廣泛認(rèn)可。

圖4 增材制造樣品的示例（圖片來(lái)源：SAMSON）

3251 型標(biāo)準(zhǔn)閥門的 DIN 和 ANSI 尺寸范圍為 DN 15 至 500/NPS ? 至 20，壓力等級(jí)為 PN 16 至 400/CL 150 至 2500。H 模塊符合性評(píng)估程序適用于 3251 型閥門，它涵蓋的壓力設(shè)備危險(xiǎn)等級(jí)可達(dá) III 類。

因此，新型 3251-AM 型也采用了相同的 H 模塊符合性評(píng)估程序，其閥門尺寸可達(dá) DN 100/NPS 4，壓力等級(jí)可達(dá) PN 400/CL 2500；該設(shè)備已通過(guò) TüV-SüD Industrie Service GmbH 認(rèn)證（認(rèn)證機(jī)構(gòu)編號(hào)：0036）。

合格評(píng)估包括設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試。除了對(duì)該閥門類型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)評(píng)估以及采用較高安全系數(shù)進(jìn)行相關(guān)強(qiáng)度計(jì)算外，SAMSON 還為初始樣品和試驗(yàn)批次資格鑒定制定了全面的檢查和測(cè)試計(jì)劃。這些 ITP 是坯件、成品部件和完整閥門組件的檢驗(yàn)準(zhǔn)則。

除強(qiáng)度計(jì)算外，還包括以下內(nèi)容：

-有限元模擬和 CFD 模擬

-側(cè)面樣品和初始樣品的破壞性測(cè)試

-初始樣品和中試樣品的無(wú)損檢測(cè)

-坯件和成品部件以及預(yù)組裝閥門的尺寸檢查

-功能測(cè)試、泄漏測(cè)試、閥座泄漏測(cè)試和水壓強(qiáng)度測(cè)試

-流量和聲壓在較高壓降下進(jìn)行液位測(cè)量

-檢查制造要求和標(biāo)記

-檢查測(cè)試文件

除無(wú)損檢測(cè)外，我們還特別關(guān)注從初始樣品上不同位置取樣進(jìn)行破壞性檢測(cè)。在增材制造的關(guān)鍵部位（如關(guān)鍵懸臂）和不同的制造高度上取樣。

將初始樣品的測(cè)試結(jié)果與印制板上的側(cè)面樣品和印制材料的材料規(guī)格進(jìn)行比較，并進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估。

同時(shí)，還必須為使用快速成型材料制造的設(shè)備制定并實(shí)施指導(dǎo)方針、文件化程序、工作和測(cè)試說(shuō)明以及協(xié)議。此外，還起草了接口文件，詳細(xì)說(shuō)明了材料（毛坯）制造商應(yīng)滿足的要求。

SAMSON公司的工作重點(diǎn)是質(zhì)量保證措施，包括壓力設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、最終驗(yàn)收和檢驗(yàn)，因?yàn)橘|(zhì)量保證系統(tǒng)的評(píng)估和認(rèn)證——并最終獲得指定機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)——對(duì)于模塊 H 的實(shí)施至關(guān)重要。

必須為新的添加劑材料創(chuàng)建、修改和鏈接完整的技術(shù)研發(fā)文件，其中包括材料規(guī)格、材料數(shù)據(jù)表、壓力—溫度表、安裝和測(cè)試說(shuō)明以及設(shè)備銘牌的標(biāo)記指南。

研發(fā)、銷售和客戶的接口文件（如數(shù)據(jù)表、安裝和操作說(shuō)明）以及SAMSON的內(nèi)部銷售訂單處理程序也必須進(jìn)行調(diào)整。

結(jié)論

本案例證明，在經(jīng)驗(yàn)豐富的認(rèn)證機(jī)構(gòu)（本案例中為TüV 南德意志集團(tuán)工業(yè)服務(wù)有限公司）的支持下，坯料和半成品的增材制造以及壓力設(shè)備部件的市場(chǎng)化是一條可控的可行之路。然而，除了獲得壓力設(shè)備制造商和分銷商的認(rèn)證外，還需要投入大量的時(shí)間和資金來(lái)獲得特定快速成型材料制造商的認(rèn)證。

去年年底，SAMSON成功完成了這些認(rèn)證程序：該公司是經(jīng)認(rèn)證的快速成型坯料材料制造商，并獲得了制造、銷售和營(yíng)銷符合壓力設(shè)備指令 2014/68/EU 附件 III 模塊 H 的快速成型壓力設(shè)備的認(rèn)證。合規(guī)性評(píng)估程序所使用的依據(jù)在合規(guī)性聲明中進(jìn)行了說(shuō)明。

SAMSON 所采取的上述方法可被視為在快速成型制造標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之前的權(quán)宜之計(jì)，但所有公司也必須確保其程序符合其制造的所有產(chǎn)品的所有監(jiān)管、法定、應(yīng)用和其他要求。