3D打印技術(shù)在煤礦行業(yè)設(shè)備維修中的應(yīng)用

馬耀武

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司四老溝礦，山西大同 037000）

0 引言

設(shè)備維修所采取的傳統(tǒng)方法大多為事后維修，即事先將備件儲存，等設(shè)備出現(xiàn)故障停止生產(chǎn)時，利用檢修來明確故障所處位置，然后再將零部件進行更換。設(shè)備維修所采取的新型方法是事前維修，即通過將3D打印技術(shù)與故障在線監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合的方式，在設(shè)備產(chǎn)生故障停機前就找出發(fā)生故障的位置及受損零件，然后再由數(shù)字化模型庫將發(fā)生故障的零部件的三維模型進行導(dǎo)出，運用3D打印技術(shù)進行加工[1]。

新型的維修方法可以確保礦井下各個生產(chǎn)設(shè)備的持續(xù)運行，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)，及時找出故障發(fā)生部位和受損零件，運用3D打印技術(shù)完成現(xiàn)場生產(chǎn)工作，并且隨時可以停止更換零件，使煤礦的停產(chǎn)時間和生產(chǎn)成本得到極大降低，確保設(shè)備的持續(xù)運行。

1 煤礦設(shè)備維修現(xiàn)狀

煤炭是中國的一種支柱性產(chǎn)業(yè)，推動了中國經(jīng)濟的發(fā)展。近些年來，隨著國內(nèi)對綠色環(huán)保能源的全力推廣，以及市場供求量的不斷提升，煤炭產(chǎn)業(yè)的銷售量進入了低谷期，煤炭企業(yè)開始減少自身的生產(chǎn)成本。現(xiàn)階段，在煤炭企業(yè)的生產(chǎn)中，維修機械所需的成本占據(jù)總成本的一大部分。為了避免因設(shè)備故障而出現(xiàn)停產(chǎn)現(xiàn)象，煤炭企業(yè)擴大了人力與物力的投資[2]。

（1）煤礦生產(chǎn)中需要較多類型的設(shè)備，但是數(shù)量較少，不能對其零部件進行批量生產(chǎn)，只能按需生產(chǎn)，生產(chǎn)成本過大。

（2）當(dāng)設(shè)備的零件出現(xiàn)故障時，用戶應(yīng)當(dāng)及時與廠商溝通后再下單，廠商在生產(chǎn)結(jié)束后，將零件運輸?shù)浆F(xiàn)場，這個過程需要很長的周期和較高的成本。

（3）為避免因設(shè)備突發(fā)故障而停產(chǎn)，煤礦企業(yè)會將易損壞的零件作為備用，這些零件需要特定的場所來進行保存，由專人實施管理，同時需要定期進行保養(yǎng)，且保養(yǎng)費用過高。此外，一些零件存放時間過長將會導(dǎo)致材料老化，影響正常生產(chǎn)。

目前，因國內(nèi)所采用的設(shè)備維修方式主要為更換備用零件，因此，煤炭所儲存的大量備用零件將會使其出現(xiàn)較多的資金積壓，這對煤炭企業(yè)的發(fā)展造成了制約。針對這種狀況，煤炭企業(yè)開始研發(fā)一種迅速加工零件的方法[3]。

近些年來，3D打印技術(shù)作為一種全新的加工方法，在多個行業(yè)中均取得了廣泛應(yīng)用。2013年，美國某個DIY愛好者通過運用該技術(shù)制作出手槍，并成功試射，引起了國際上各個國家的重視，美國的科學(xué)家將該技術(shù)看做是“第三次工業(yè)革命的標(biāo)志”。由此可知，在日后設(shè)備的加工及維修領(lǐng)域，該技術(shù)具有十分廣闊的發(fā)展前景。

2 3D打印技術(shù)工作原理及現(xiàn)狀

3D打印機，別名“三維打印機”，是一種堆積加工技術(shù)，即可以迅速成形技術(shù)的一種生產(chǎn)設(shè)備，是基于數(shù)字模型，利用一些可黏合性的材料，經(jīng)過反復(fù)堆積加工成三維物體[4]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)最常運用的3D成型技術(shù)主要有以下幾種。

（1）熔積成形，其原理是利用高溫將絲材進行融化，并使其成形。

（2）激光燒結(jié)成形，主要利用激光照射將粉狀材料燒結(jié)成形。

（3）分層實體成形，主要將每一層的材料加以切割，使尺寸之內(nèi)的材料成形。

（4）光固化成形，主要利用激光照射將液態(tài)資料進行固化成形。

3 3D打印技術(shù)特點

隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)的速度與精度也得到了極大提升，材料由以往的塑料升級為金屬、陶瓷等，設(shè)備的加工成本也在不斷降低，在生產(chǎn)加工領(lǐng)域中的優(yōu)勢越來越明顯。

（1）加工成本低

3D打印技術(shù)的適用范圍主要為單個或小批量零部件的加工生產(chǎn)，對類型繁多、數(shù)量過少的煤礦設(shè)備維修具有十分重要的作用。煤礦設(shè)備大多龐大而沉重，加工數(shù)量較少，在后期的維修中不能依靠生產(chǎn)線上批量生產(chǎn)的零件，只能運用零散加工的方式來生產(chǎn)備件，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高、周期較長、庫存量較大。3D打印技術(shù)的興起轉(zhuǎn)變了原有的零部件加工方式，徹底改變了原有的加工思想，對類型繁多的煤礦生產(chǎn)設(shè)備維修具備十分重要的作用[5]。

（2）生產(chǎn)周期短

通過將3D打印技術(shù)與零部件的數(shù)字化模型相結(jié)合，使產(chǎn)品加工的時間、周期得到極大縮短，煤礦設(shè)備的維修效率得到極大提升，同時避免了因設(shè)備維修所導(dǎo)致的停產(chǎn)損失。同時，3D打印技術(shù)可以基于零部件的模型來進行改善，極大提升了零部件的使用時間和可靠性。

（3）加工工序簡單

與傳統(tǒng)的加工方式相比，3D打印技術(shù)可以一次成型，不需要利用機械設(shè)備，只需要構(gòu)建數(shù)字化模型，這種方式極大縮短了零部件的加工時間，提高了生產(chǎn)效率[6]。

（4）加工過程產(chǎn)生廢料少

傳統(tǒng)的加工形式是通過去除零部件的原料來進行加工，去除不需要運用的部位原料，形成了較多的廢料。3D打印技術(shù)所采用的方式是添加原料，極大避免了材料浪費，提高了材料的使用效率，因此具有較高的經(jīng)濟價值。

4 3D打印技術(shù)在煤礦行業(yè)的應(yīng)用

隨著3D打印技術(shù)的深入發(fā)展，這種加工形式已不再停滯于試驗研究階段，而被廣泛應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域中，在煤礦企業(yè)的設(shè)備維修中也有重要意義。該方式在設(shè)備維修中所發(fā)揮的優(yōu)勢是不需要使用機械設(shè)備和模具，可以直接依據(jù)三維模型來加工制作各種類型的零部件，極大減少了加工的時間和成本，提高了生產(chǎn)效率[7]。3D打印機構(gòu)建的三維模型如圖1所示。

圖1 錐齒輪模型圖與斜齒輪模型圖

在礦井下運用3D打印技術(shù)，不僅可以迅速實現(xiàn)零部件的加工，而且精簡了加工過程中的下單過程。通過開展相應(yīng)的檢測，可以迅速確定設(shè)備的故障類型及產(chǎn)生故障的零部件，之后再明確相應(yīng)的參數(shù)，運用計算機技術(shù)來為發(fā)生故障的零部件構(gòu)建數(shù)字化模型，利用3D打印技術(shù)來進行生產(chǎn)，其過程如圖2所示。

圖2 煤礦設(shè)備維修中3D打印技術(shù)的應(yīng)用

這種方式可以減少加工周期和成本，提高故障設(shè)備的維修效率，有效避免了因個別零部件出現(xiàn)故障而影響設(shè)備運行，導(dǎo)致其他零部件受到破壞。

3D打印機是以塑料為原材料來加工皮帶機的支架模型，該模型所具有的各個參數(shù)都滿足設(shè)備要求，加工程序較為簡單、時間較短。

5 3D打印技術(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用

英國航空航天系統(tǒng)公司利用3D打印金屬零件制造的第一部戰(zhàn)斗機已經(jīng)試飛成功，飛機上所運用的3D打印部件主要包含了起落架防護裝置、駕駛艙無線電防護罩和進氣口支架。一些零部件的成本還不足100英鎊，極大降低了飛機的零部件成本。針對3D打印鈦合金機身及發(fā)動機掛架構(gòu)件的供應(yīng)問題，空客公司與美鋁公司達成了一致協(xié)議。美國海軍運用3D打印技術(shù)加工了相應(yīng)的艦艇部件，希望以此來提高任務(wù)的執(zhí)行速度，并減少生產(chǎn)成本。

由此可知，作為一種全新的加工技術(shù)，3D打印技術(shù)在軍事及航空領(lǐng)域中已取得廣泛應(yīng)用，日后，該技術(shù)將成為全球加工零部件的技術(shù)[8]。

6 結(jié)束語

3D打印技術(shù)的深入應(yīng)用將會為中國煤炭企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的維修發(fā)展提供一個有效的平臺，完善現(xiàn)階段設(shè)備維修的不足，減少備件加工周期和成本，提高生產(chǎn)效率。為了推動煤炭企業(yè)的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)當(dāng)與其他技術(shù)相結(jié)合，加快3D打印技術(shù)的發(fā)展速度，推動煤炭行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。