基于3D打印技術的電網(wǎng)設備結(jié)構(gòu)設計及制造

鄔蓉蓉，樂明鋒，李寶峰

(1.廣西電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣西 南寧 530007) (2.廣西電網(wǎng)有限責任公司貴港供電局，廣西 貴港 537100) (3.廣西電網(wǎng)有限責任公司南寧供電局，廣西 南寧 530229)

在科技水平不斷提高的過程中，制造技術也在不斷進步，其中3D打印技術備受重視。3D打印又稱為增材制造，是將增材材料變成粉末，將粉末熱熔后層層覆蓋疊加完成制造，或者利用光照射固化材料，使其接觸光照后硬化成型。雖然，電力行業(yè)對3D技術的應用研究還比較少，但3D打印技術已在其他領域得到了一定的應用。文獻[1]基于3D打印技術進行了核電站主泵試驗葉輪制造研究，采用SLM(selective laser melting)技術完成了試驗葉輪3D打印模型的設計及成形技術參數(shù)的設置,確定了試驗葉輪的3D打印工藝，并成功打印出試驗葉輪；文獻[2]基于骨盆數(shù)字化模型的重構(gòu)流程,使用層間插值算法優(yōu)化CT斷層圖像,使骨盆模型的重構(gòu)精度得到了提高，采用3D打印優(yōu)化后的三維骨盆模型，并根據(jù)3D打印的骨盆模型制造手術導板，輔助手術操作；文獻[3]基于四自由度運動學設計了3D打印機器人并聯(lián)機構(gòu)，結(jié)合機器人的工作空間及特殊位置,對機器人運動軌跡進行優(yōu)化，得到了3D打印機器人最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

為實現(xiàn)電網(wǎng)設備結(jié)構(gòu)設計及制造的創(chuàng)新，本文在分析了3D打印技術優(yōu)勢的基礎上，將其分別用于電網(wǎng)設備復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、待修復電網(wǎng)設備的逆向建模以及開關機構(gòu)部件原型設計和制造中，驗證了3D打印技術在電網(wǎng)設備設計及制造中的適用性。

1 3D打印技術的優(yōu)勢

1)3D打印能降低產(chǎn)品的設計和制造成本。利用多樣的打印方式及豐富的材料，根據(jù)客戶的需求實現(xiàn)產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)；能夠隨時停止生產(chǎn)，改變生產(chǎn)計劃，減少資源的浪費。3D打印流程較為簡單，與傳統(tǒng)流程相比沒有繁瑣的中間環(huán)節(jié)，通過計算機網(wǎng)絡發(fā)送指令就能代替人工完成操作，縮短設計和制造時間，降低生產(chǎn)成本。

2)3D打印能突破傳統(tǒng)思維的局限。工業(yè)設計是一個較為復雜的過程，不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工具及制作工藝不同，對設計師來說，3D打印能夠跨越產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境因素，拓展設計師的思路，激發(fā)設計師對于產(chǎn)品的想象力。

3)3D打印能縮短產(chǎn)品的成型時間。在設計過程中，使用3D打印技術結(jié)合概念模型的制作，可提高零件制作的精準度，從而提高工業(yè)產(chǎn)品的設計效率及質(zhì)量。3D打印技術能夠縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高其在市場中的競爭力，有效促進企業(yè)的發(fā)展[4]。

2 基于3D打印的電網(wǎng)設備設計

2.1 低成本快速制造

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對傳統(tǒng)電力設備提出了改革要求。現(xiàn)代電網(wǎng)設備設計時要求設置大量的功能接口以便于配置智能化電力二次設備，為了保障設備中大功率芯片的散熱需求，需要對傳統(tǒng)電力設備的結(jié)構(gòu)設計方法進行優(yōu)化。電網(wǎng)設備外殼的主要成分為高分子聚合物，利用3D打印技術制造電網(wǎng)設備外殼具有造型多樣及操作靈活的特點[5]，大多采用分片粘結(jié)技術[6]，制作時間較短。采用3D打印技術設計制作的智能電容器外殼如圖1所示。

圖1 智能電容器外殼

由圖1可以看出，智能電容器外殼設置了外部接口、板件支撐等，使操作空間更為合理，安裝及維護較為方便。3D打印技術用于電力設備的研發(fā)，其研發(fā)周期比較短，所用時間不到注塑成型周期的一半。電力設備的制造要充分考慮加工成本及材料成本，成本上萬元的注塑成型產(chǎn)品，利用3D打印只需幾千元。

2.2 復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在特高壓輸電技術不斷發(fā)展的過程中，不僅要求電力設備具備較高的機械性能，而且還要有較小的產(chǎn)品質(zhì)量和較低的生產(chǎn)成本。運用3D打印技術對特高壓輸電設備進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，以實現(xiàn)特高壓輸電設備的結(jié)構(gòu)優(yōu)異性。圖2為電子設備承力支座優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)對比。

由圖2可以看出，使用同樣數(shù)量的材料，優(yōu)化之后的電子設備承力支座結(jié)構(gòu)比較均勻，沒有應力集中，承力支座的使用壽命及可靠性得到了進一步的提高[7]。

電網(wǎng)設備多種多樣，其運行環(huán)境也比較復雜，因而對配網(wǎng)設備的運維檢修、優(yōu)化等需求較高。在電網(wǎng)設備維護及檢修過程中，由于電網(wǎng)環(huán)境的復雜性，對于已經(jīng)投入使用的配網(wǎng)設備無法直接進行優(yōu)化，當設備局部出現(xiàn)損壞時就會作廢，導致資源浪費。其中一些具有特殊用途的配件，其采購周期較長，且一次采購的數(shù)量較少，采購成本較高，造成維修環(huán)節(jié)沒有可以替換的設備，從而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。引入3D打印技術，可以有效擺脫配件采購周期的限制，及時獲取維修配件。在實際運行過程中，設備老化、低精度等都易使供電設備出現(xiàn)故障[8]，利用3D打印技術創(chuàng)建設備3D模型，模擬設備正常運行和故障狀態(tài)，能有效提高故障的定位精度及速度。

圖2 承力支座優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對比

由于相同的電力設備、配件其損壞的原因、位置和程度有相似之處，若單獨創(chuàng)建其3D模型，時間長、成本高，因此在滿足生產(chǎn)運行需求尤其是滿足電力參數(shù)要求的基礎上，創(chuàng)建電力設備、配件的3D模型庫，便于快速建模修復損傷的設備、配件，降低復雜環(huán)境下電網(wǎng)設備的運維成本。

2.3 電網(wǎng)設備修復時的逆向建模

本文采用CCD攝像機、光柵投影設備獲得待修復電網(wǎng)設備的相關數(shù)據(jù)，由計算機對獲得的數(shù)據(jù)進行運算處理，得到待修復電網(wǎng)設備的點云數(shù)據(jù)，從而得到待修復電網(wǎng)設備的建模參數(shù)[9-12]，根據(jù)參數(shù)建立其3D模型?；?D打印技術修復電網(wǎng)設備的步驟為：首先通過三維掃描設備，利用離散點坐標獲得目標的外形尺寸，利用圖像處理系統(tǒng)進行分析和擬合，對待修復的設備逆向建模，得到其三維模型；然后將其三維模型輸入3D打印設備，由3D打印設備打印出所需的設備。采用3D打印技術修復的斷裂金具如圖3所示。傳統(tǒng)的修復方法是制作斷裂部分的實物，然后與剩余部分焊接，此種修復方法往往在連接處留有縫隙，修復的零件強度不高。采用3D打印技術修復，先通過三維掃描設備根據(jù)零件剩余部分獲得其整體的相關參數(shù)，對零件逆向建模，得到需要修復部分的模型數(shù)據(jù)，之后由3D打印設備打印出修復的部分，完成零件修補。利用3D打印技術修補后的零件在連接處不存在縫隙，具有較高的連接強度。

圖3 基于三維掃描及3D打印的產(chǎn)品修復

3 基于3D打印的開關機構(gòu)部件快速設計與制造

產(chǎn)品原型設計是指根據(jù)產(chǎn)品外觀和外形尺寸參數(shù)，采用其他材料制作相同的產(chǎn)品樣品，用于產(chǎn)品外觀測試、裝配驗證及設計交流[13]。

3.1 開關機構(gòu)傳動部件的設計

圖4為某開關機構(gòu)傳動部件，在智能配電網(wǎng)建設中被廣泛使用，由于其使用環(huán)境比較惡劣，因此在設計組件連接及材料選擇過程中，需要全面考慮外部環(huán)境對其結(jié)構(gòu)功能、外觀形變的影響[14-15]。該傳動部件是基于某重大節(jié)能項目研發(fā)的，研發(fā)周期比較短，且各個部件的設計工作需要相互協(xié)同。

圖4 某開關機構(gòu)傳動部件的3D打印模型

3.2 開關機構(gòu)傳動部件3D打印實現(xiàn)

一般來講，使用注塑成型方法制作產(chǎn)品，制作周期長且成本比較高。表1對比了注塑及3D打印的開關構(gòu)件研發(fā)成本。由表1可以看出，3D打印具有明顯的成本優(yōu)勢。根據(jù)常規(guī)注塑產(chǎn)品研發(fā)的流程，利用機加工及開模注塑方式制作開關手板，機加工需要大量基材，空腔內(nèi)部的加工難度比較大，需要對零件進行分體加工和拼接，生產(chǎn)周期比較長，人工成本比較高，成品的品質(zhì)也較低。開模注塑時模具制作時間比較長，并且需要反復試模，周期較長，成本比較高[6]。使用計算機輔助設計及FDM技術協(xié)同開發(fā)的模式能夠縮短研發(fā)周期，3天之內(nèi)就能夠進行產(chǎn)品設計和試制，一周之內(nèi)就能制作出開關手板，實現(xiàn)批量生產(chǎn)，研發(fā)周期約為傳統(tǒng)研發(fā)周期的30%。

表1 注塑及3D打印開關構(gòu)件的研發(fā)成本比較

4 結(jié)束語

在電網(wǎng)設備設計過程中使用3D打印技術能夠降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，提高工作效率及質(zhì)量，為產(chǎn)品設計帶來一定的便利。雖然3D打印能夠在短時間內(nèi)完成產(chǎn)品的初步制作，但在投入實際使用前需要對成型件進行再加工，因此后期處理水平的高低對產(chǎn)品最終的質(zhì)量有較大的影響。如何提升3D打印產(chǎn)品的后期處理水平，是今后電網(wǎng)設備結(jié)構(gòu)設計研究的重點。