摘 要:3D打印技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的代表,是推動(dòng)煤礦機(jī)械制造智能化的重要手段,其在未來的煤礦機(jī)械制造中終將發(fā)揮更重要的作用,將為煤炭行業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。本文詳細(xì)介紹了3D打印技術(shù)的原理及主要技術(shù)手段,分析了其應(yīng)用于煤礦機(jī)械的優(yōu)勢(shì)與不足,闡述了3D打印技術(shù)在煤礦機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用并展望了其在煤礦機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:3D打印技術(shù);煤礦機(jī)械;機(jī)械制造;智能化
中圖分類號(hào):TD712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
Abstract:As a representative of advanced manufacturing technology,3D printing technology is an important means to promote the intelligentization of coal mining machinery manufacturing.It will eventually play a more important role in the future of coal mining machinery manufacturing and will provide technical support for the development of the coal industry.This paper introduces the principles and main technical methods of 3D printing technology in detail,analyzes its advantages and disadvantages in coal mining machinery,elaborates the application of 3D printing technology in the field of coal mining machinery manufacturing,and forecasts its application prospects in the field of coal mining machinery.
Key words:3D printing technology;Coal mine machinery;Machine manufacturing
煤炭是可以清潔高效利用的最經(jīng)濟(jì)、安全的能源,煤礦機(jī)械制造在我國(guó)有著舉足輕重的作用。我國(guó)煤機(jī)裝備中低端產(chǎn)品過剩,高端高可靠性產(chǎn)品緊缺,核心競(jìng)爭(zhēng)力與創(chuàng)新能力不足,一些關(guān)鍵元部件仍需從外國(guó)進(jìn)口。新一輪產(chǎn)業(yè)革命的背景下,我國(guó)煤機(jī)裝備更需在產(chǎn)品可靠性、智能化等方面不斷創(chuàng)新,以智能制造助推我國(guó)煤機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)與技術(shù)走向國(guó)際發(fā)展的高地[1]。
在新一輪的工業(yè)革命浪潮下,3D打印作為先進(jìn)制造技術(shù)的代表正在逐步嶄露頭角,英國(guó)石油公司將3D打印列為未來幾年將顯著影響能源行業(yè)的六項(xiàng)技術(shù)之一(其余五項(xiàng)為人工智能、區(qū)塊鏈、自動(dòng)駕駛和替代能源)。該項(xiàng)技術(shù)將可透過互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)平臺(tái),和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能材料等眾多先進(jìn)技術(shù)緊密融合,實(shí)現(xiàn)智能化制造,改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式和生活方式。3D打印技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)加工技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì),將3D打印技術(shù)應(yīng)用到煤礦機(jī)械的研發(fā)生產(chǎn)制造當(dāng)中,與我國(guó)煤礦機(jī)械智能化的發(fā)展趨勢(shì)完全一致,為我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展和升級(jí)帶來重大機(jī)遇。
1 3D打印技術(shù)原理
3D打印技術(shù)是通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)的減材制造(切削加工)和等材制造(鐓鍛等)技術(shù),是一種“自下而上”的材料累加制造方法。這種加工過程是一種先離散然后進(jìn)行堆積的成形過程,可分為前期數(shù)據(jù)處理(離散)和物理實(shí)現(xiàn)(堆積)過程。在離散過程中,將三維形體的CAD模型沿一定方向分解,得到每層截面切片數(shù)據(jù),各種成形工藝根據(jù)各自具體的工藝要求,獲得控制成形頭運(yùn)動(dòng)的軌跡;在堆積成型過程中,成形頭在運(yùn)動(dòng)軌跡的控制下加工出層片,并與已成型部分的層片堆積并連接。兩個(gè)過程循環(huán)往復(fù),直到整個(gè)零件加工完畢[2-5]。
根據(jù)成型工藝與原材料的不同,3D打印技術(shù)主要技術(shù)手段為:
(1)光固化成形:最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝,多以光敏樹脂為原料,用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面使其固化成型;
(2)激光燒結(jié)成型:以激光為熱源對(duì)粉末壓坯進(jìn)行燒結(jié)成型,可實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬和陶瓷的黏結(jié),對(duì)常規(guī)燒結(jié)爐不易完成的燒結(jié)材料,此技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯;
(3)分層實(shí)體成型:以薄片材(如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料等)為原材料,通過薄片材進(jìn)行層疊加與激光切割,留下尺寸內(nèi)材料成型。該方法制造成本低,但較為浪費(fèi)材料,且僅限于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件成型;
(4)熔積成型:將絲材(一般為非金屬工程塑料或低熔點(diǎn)金屬)通過高溫融化堆積成型,成型效率高,但精度略低;
(5)電子束成型:在高度真空的打印腔中采用電子束來完成對(duì)金屬粉末的熔融成型,對(duì)于易氧化或易和空氣中某些元素進(jìn)行反應(yīng)的金屬(比如鈦金屬),此技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。
2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于煤礦機(jī)械的優(yōu)勢(shì)與不足
2.1 3D打印技術(shù)應(yīng)用于煤礦機(jī)械的優(yōu)勢(shì)
第一,易實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制,尤其對(duì)于小批量、難加工零部件有利于縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期,其優(yōu)勢(shì)明顯;第二,易于實(shí)現(xiàn)再制造,特別是用于產(chǎn)品的修復(fù)再造環(huán)節(jié),利于節(jié)約成本;第三,助力實(shí)現(xiàn)智能化,能將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能材料等眾多先進(jìn)技術(shù)緊密融合,智能化控制制造過程,實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人;第四,改變煤礦機(jī)械領(lǐng)域某些特定關(guān)鍵零部件使用傳統(tǒng)制造方法難以加工的現(xiàn)狀,為此類難加工零件加工提供新的解決思路和途徑。
2.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于煤礦機(jī)械的不足
第一,3D打印技術(shù)其自身工藝和材料還有待繼續(xù)發(fā)展,相比于傳統(tǒng)的等材和減材制造方法,3D打印的能適用材料單一,要求較為苛刻嚴(yán)格,3D打印成型件的抗拉壓屈曲性能、抗剪性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、表面硬度等綜合力學(xué)性能及表面粗糙度、尺寸精度等都相對(duì)較差[6];第二,對(duì)大批量零部件生產(chǎn)適應(yīng)性不強(qiáng),現(xiàn)階段的3D打印更多是為了滿足個(gè)性化生產(chǎn)需求,材料和工藝的專用性較強(qiáng),加工效率相對(duì)較低,無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn);第三,零部件的制造成本居高不下,盡管3D打印減少了切削、成型等方面的制造成本,卻增加了軟件、設(shè)計(jì)后處理以及材料等環(huán)節(jié)的成本。
3 3D打印技術(shù)在煤礦機(jī)械中的應(yīng)用
3.1 煤礦機(jī)械修復(fù)
3D打印技術(shù)在煤礦設(shè)備維修領(lǐng)域擁有巨大的市場(chǎng)和未來發(fā)展?jié)摿?。其在煤礦設(shè)備維修中的優(yōu)點(diǎn)是不需要機(jī)械加工設(shè)備和模具,利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)對(duì)故障零部件進(jìn)行數(shù)字化建模及切片處理,直接根據(jù)三維數(shù)據(jù)模型現(xiàn)場(chǎng)加工故障零部件。甚至應(yīng)用3D打印方式可在煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)快速加工完成作業(yè),省略了正常加工過程中的下單、加工過程及零部件運(yùn)輸環(huán)節(jié)。對(duì)于某些在特定零部件,3D打印應(yīng)用于煤礦機(jī)械修復(fù)不僅僅是簡(jiǎn)單的修補(bǔ),而是可起到零件表面增強(qiáng)效果。如激光成形修復(fù)技術(shù)解決了傳統(tǒng)激光熔敷技術(shù)在成形方面的缺陷和不足,綜合了三維成形與表面強(qiáng)化技術(shù)的特長(zhǎng),同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多材料的復(fù)合制造,利用Fe基、Co基、Ni基等可熔金屬作為粘接劑,并入TiC、ZrO2、SiC、Al2O3等陶瓷材料作為增強(qiáng)相修補(bǔ)至易磨損部位,使得零件表面的耐磨性、硬度等性能得到大幅提升,適合用于解決選礦機(jī)械的受損修復(fù)問題[7]。
3D打印技術(shù)應(yīng)用于煤礦機(jī)械修復(fù)既縮短加工周期、降低生產(chǎn)成本,提高了設(shè)備故障維修效率,也能有效地防止單個(gè)零部件故障導(dǎo)致的設(shè)備異常運(yùn)行造成其余零部件的損壞失效問題。目前,其典型應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面:
(1)刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪修復(fù)。鏈輪屬于煤礦井下刮板輸送機(jī)的重要零部件,為解決鏈窩和齒側(cè)壁等的尺寸超差、磨損嚴(yán)重等問題,遼寧工程技術(shù)大學(xué)翟建華等人運(yùn)用了金屬3D打印技術(shù)成功對(duì)礦刮板運(yùn)輸機(jī)的鏈輪進(jìn)行了修復(fù),3D打印的鏈輪的整體成型效果已與標(biāo)準(zhǔn)鏈輪相一致,能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求[8]。
(2)乳化液泵站修復(fù)。乳化液泵在采煤工作面開采過程中為液壓支架提供乳化液,同時(shí)也為其他煤礦液壓設(shè)備提供動(dòng)力源,容易發(fā)生滑道孔磨損、刮傷、灼燒和破損以及軸承孔變形、磨損、劃傷等情況。神東煤炭集團(tuán)喬永軍利用激光立體成型技術(shù)(LSF)對(duì)劃傷、磨損的乳化液泵站殼體進(jìn)行了修復(fù),修復(fù)后的乳化液泵站殼體的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到使用要求,修復(fù)的成功率也有所提高,減少了零件的報(bào)廢率[9]。
(3)液壓支架修復(fù)。煤礦井下液壓支架出井后,立柱柱塞表面往往會(huì)出現(xiàn)鍍鉻面銹蝕、機(jī)械性損傷、鍍鉻層脫落等問題。大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司張超等人對(duì)液壓支架立柱柱塞表面經(jīng)過激光增材制造工藝加工后,其表面光潔如新,耐磨損和耐腐蝕性能都明顯優(yōu)于電鍍層[10]。
3.2 煤礦機(jī)械產(chǎn)品的快速研發(fā)與直接制造
3D打印技術(shù)用于煤礦機(jī)械產(chǎn)品的快速研發(fā)與直接制造,可直接使用基于煤礦機(jī)械產(chǎn)品模型數(shù)字化定義的數(shù)據(jù)進(jìn)行制造,突破了傳統(tǒng)制造方式從產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)模型再到二維加工圖紙?jiān)俚街圃旃に囄募^程中信息傳遞鏈條的斷裂,尤其是對(duì)于需要開模加工或者加工試制工序特別繁雜的零部件,很好的保證了產(chǎn)品的研制及生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。
中煤科工集團(tuán)西安研究院李鎖志成功將SLA成型工藝應(yīng)用于基礎(chǔ)模具加工,配合現(xiàn)有軟模成型工藝,加工鉆頭基礎(chǔ)模具用于煤礦井下用的鉆頭制造,改進(jìn)了傳統(tǒng)模具加工工藝,采用3D打印技術(shù)制作模具縮短了新產(chǎn)品研發(fā)周期,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)及唇面形狀的PDC鉆頭高效研發(fā),保證了煤礦井下用鉆頭的使用壽命和效率[11]。韓斌慧等人對(duì)某型號(hào)采掘機(jī)械用液壓閥塊中的密封紙墊沖孔加工采用的進(jìn)口沖頭國(guó)產(chǎn)化過程中,針對(duì)零件尺寸小、刃口部位薄弱等難題以及較高的沖切強(qiáng)度和耐磨性的要求,反復(fù)嘗試了多種制造方案,最終采用3D打印方式制造出內(nèi)孔為1mm及以上的掘進(jìn)機(jī)密封墊沖頭以替代國(guó)外進(jìn)口件,達(dá)到了普通傳統(tǒng)機(jī)械加工難以滿足的制造精度,且具備優(yōu)良的耐用性能[12]。冀中能源峰峰集團(tuán)天擇公司將3D打印技術(shù)應(yīng)用在無模鑄型制造技術(shù)上,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木模和砂型制作,通過專業(yè)設(shè)備直接將鑄造型腔打印出來,從而研制成功了具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的3D打印滾輪罐耳輪轂,其鋁合金材質(zhì)具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn),在不增加滾輪罐耳成本的前提下,大幅延長(zhǎng)了使用壽命。張紹和等人利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、選擇性激光熔化和光固化技術(shù)制造金剛石鉆頭、金剛石鋸片、金剛石砂輪等工具,大大減輕金剛石顆粒的熱損傷,獲得了理想的試驗(yàn)效果[13]。
3.3 煤礦機(jī)械產(chǎn)品模型驗(yàn)證與檢測(cè)
機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到驗(yàn)證有時(shí)會(huì)面臨費(fèi)時(shí)費(fèi)力或成本過高問題,特別是在煤礦井下作業(yè)工況惡劣的場(chǎng)景。3D打印技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用到煤礦機(jī)械產(chǎn)品模型驗(yàn)證與檢測(cè),為煤礦產(chǎn)品的快速驗(yàn)證提供了可能。
河南理工大學(xué)劉寶等人利用3D打印技術(shù)建立了煤礦井下綜采工作面高壓電纜繞“8”字減扭收卷裝置實(shí)體模型,利用熔融沉積快速成型技術(shù)通過模型試驗(yàn),驗(yàn)證了裝置運(yùn)行滿足設(shè)計(jì)要求[14]。西南石油大學(xué)冷靜等人基于3D打印技術(shù)對(duì)復(fù)合鉆頭進(jìn)行了制造方法研究,根據(jù)打印出來的復(fù)合鉆頭模具在實(shí)際檢測(cè)中的校準(zhǔn)與測(cè)試可以在鉆頭模型設(shè)計(jì)軟件中中及時(shí)更改和修正鉆頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件,從而縮短鉆頭加工設(shè)計(jì)周期[15]。華北科技學(xué)院胡德志等人將3D打印技術(shù)用于采區(qū)巷道系統(tǒng)性能的整體研究,減少了系統(tǒng)的不確定性因素,提升了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安全系數(shù),實(shí)現(xiàn)防范瓦斯爆炸、改進(jìn)礦井的通風(fēng)效果和優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型得到快速驗(yàn)證,使礦山開采規(guī)劃更加科學(xué)化[16]。
4 3D打印技術(shù)在煤礦機(jī)械中的應(yīng)用展望
由于成本、效率及自身技術(shù)發(fā)展等因素的制約,目前3D打印技術(shù)在煤礦機(jī)械行業(yè)多用于維修領(lǐng)域,零部件的直接制造則處于嘗試階段,而多以采用工程材料進(jìn)行原型件的設(shè)計(jì)和制造。筆者認(rèn)為,結(jié)合煤礦機(jī)械行業(yè)的特點(diǎn),3D打印技術(shù)未來可能將產(chǎn)生以下影響:
(1)在高端煤礦機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用越來越廣泛,特別是針對(duì)某些高價(jià)值、難加工零部件的制造。3D打印技術(shù)能夠制造在傳統(tǒng)制造工藝下無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀及特殊定制材料,例如針對(duì)礦區(qū)煤層氣開發(fā)領(lǐng)域的特殊地層,為了提高破巖效率以及鉆頭的清潔和冷卻效果,鉆頭的設(shè)計(jì)、加工將更為復(fù)雜,3D打印技術(shù)為這些功能的實(shí)現(xiàn)提供了可能;煤礦井下使用的泥漿泵活塞陶瓷缸套,未來使用3D打印的方式實(shí)現(xiàn)制造,提高活塞壽命。
(2)3D打印技術(shù)未來或?qū)⒏淖兠旱V機(jī)械供應(yīng)商的售后及供應(yīng)模式。在傳統(tǒng)的售后市場(chǎng)供應(yīng)鏈上,一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是對(duì)備件庫(kù)存的管理。而使用3D打印機(jī)按需制造替換零件的能力會(huì)改變售后服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),3D打印技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際影響可能更加深遠(yuǎn)。在偏遠(yuǎn)礦區(qū),可使用3D打印技術(shù)制造替換零件,而不需從制造商處重新采購(gòu),這將有助于減少設(shè)備的等待時(shí)間;一些具備現(xiàn)場(chǎng)3D打印能力的小型設(shè)施可能會(huì)取代大型的地區(qū)性倉(cāng)庫(kù),一些維修件的供應(yīng)甚至可以外包,甚至小型加工廠可以根據(jù)礦方直接提供的數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)制作設(shè)備所需的大部分零件,來滿足礦方的不同需求,這種產(chǎn)業(yè)鏈布局未來將是對(duì)傳統(tǒng)售后及供應(yīng)模式的一種顛覆。
(3)隨著技術(shù)的發(fā)展,3D打印技術(shù)將會(huì)充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)制造工藝的共存融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),對(duì)煤礦機(jī)械制造技術(shù)的促進(jìn)作用愈加明顯。當(dāng)前隨著定制化成為一個(gè)主導(dǎo)的生產(chǎn)模式,對(duì)3D打印的需求正在擴(kuò)大。3D打印技術(shù)在煤礦機(jī)械領(lǐng)域的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用推廣,其應(yīng)用價(jià)值將逐步追趕傳統(tǒng)等材和減材制造方式,形成三足鼎立局面。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)等材、減材制造技術(shù)的共存融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)將發(fā)揮巨大效益,助力煤礦機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。
5 結(jié)語(yǔ)
雖然3D打印技術(shù)目前因存在一些技術(shù)和成本方面的問題,較多地應(yīng)用于原型制造。但3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的制造方式相比更加靈活多變,具有更加寬廣的適用范圍,隨著煤礦行業(yè)各種特殊需求以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對(duì)3D打印技術(shù)的不斷推動(dòng),相信3D打印技術(shù)直接制造終端零部件在煤礦機(jī)械領(lǐng)域?qū)⒑芸斐蔀榭赡?,其在未來的煤礦機(jī)械制造中終將發(fā)揮更重要的作用,為煤炭行業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。
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作者簡(jiǎn)介:米隴峰(1992-),男,漢族,陜西寶雞人,碩士,工程師,現(xiàn)主要從事煤礦用鉆探裝備設(shè)計(jì)與制造的研究工作。