基于3D打印技術(shù)的電網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造

徐寅飛

摘要：在科技水平不斷提高的過程中，制造技術(shù)也在不斷進步，其中3D打印技術(shù)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(shù)的應(yīng)用研究還比較少，但3D打印技術(shù)已在其他領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);電網(wǎng)設(shè)備;結(jié)構(gòu)設(shè)計;逆向建模

引言

隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展以及在航空航天、醫(yī)療器械、電子器件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，智能電網(wǎng)裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計制造迎來了新的機遇，但具體應(yīng)用的工藝可行性和經(jīng)濟可行性還有待深入研究。

13D打印技術(shù)的概念和分類

1.1概念

3D打印技術(shù)，學(xué)術(shù)上又稱“添加制造”（additivemanufacturing）技術(shù)，也稱增材制造或增量制造。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）2009年成立的3D打印技術(shù)委員會（F42委員會）公布的定義，3D打印是一種與傳統(tǒng)的材料加工方法截然相反，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式。其采用直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。3D打印技術(shù)內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”（rapidprototyping）和全生產(chǎn)周期的“快速制造”（rapidmanufacturing）相關(guān)的所有打印工藝、技術(shù)、設(shè)備類別和應(yīng)用。3D打印涉及的技術(shù)包括CAD建模、測量、接口軟件、數(shù)控、精密機械、激光、材料等多種學(xué)科的集成。

1.23D打印具有如下特點和優(yōu)勢

①數(shù)字制造：借助CAD等軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化，驅(qū)動機器設(shè)備加工制造成器件;數(shù)字化文件還可借助網(wǎng)絡(luò)進行傳遞，實現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)模式。②降維制造（分層制造）：即把三維結(jié)構(gòu)的物體先分解成二維層狀結(jié)構(gòu)，逐層累加形成三維物品。因此，原理上3D打印技術(shù)可以制造出任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且制造過程更柔性化。③堆積制造：“從下而上”的堆積方式對于實現(xiàn)非勻致材料、功能梯度的器件更有優(yōu)勢。④直接制造：任何高性能難成型的部件均可通過“打印”方式一次性直接制造出來，不需要通過組裝拼接等復(fù)雜過程來實現(xiàn)。⑤快速制造：3D打印制造工藝流程短、全自動、可實現(xiàn)現(xiàn)場制造，因此，制造更快速、更高效。

2基于3D打印的電網(wǎng)設(shè)備設(shè)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(shè)備提出了改革要求?，F(xiàn)代電網(wǎng)設(shè)備設(shè)計時要求設(shè)置大量的功能接口以便于配置智能化電力二次設(shè)備，為了保障設(shè)備中大功率芯片的散熱需求，需要對傳統(tǒng)電力設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行優(yōu)化。電網(wǎng)設(shè)備外殼的主要成分為高分子聚合物，利用3D打印技術(shù)制造電網(wǎng)設(shè)備外殼具有造型多樣及操作靈活的特點，大多采用分片粘結(jié)技術(shù)，制作時間較短。智能電容器外殼設(shè)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(shù)用于電力設(shè)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(shè)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在特高壓輸電技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，不僅要求電力設(shè)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(shù)對特高壓輸電設(shè)備進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)特高壓輸電設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)異性。使用同樣數(shù)量的材料，優(yōu)化之后的電子設(shè)備承力支座結(jié)構(gòu)比較均勻，沒有應(yīng)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。電網(wǎng)設(shè)備多種多樣，其運行環(huán)境也比較復(fù)雜，因而對配網(wǎng)設(shè)備的運維檢修、優(yōu)化等需求較高。在電網(wǎng)設(shè)備維護及檢修過程中，由于電網(wǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，對于已經(jīng)投入使用的配網(wǎng)設(shè)備無法直接進行優(yōu)化，當(dāng)設(shè)備局部出現(xiàn)損壞時就會作廢。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(shè)備，從而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。引入3D打印技術(shù)，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(shè)備老化、低精度等都易使供電設(shè)備出現(xiàn)故障，利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建設(shè)備3D模型，模擬設(shè)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。由于相同的電力設(shè)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(chǔ)上，創(chuàng)建電力設(shè)備、配件的3D模型庫，便于快速建模修復(fù)損傷的設(shè)備、配件，降低復(fù)雜環(huán)境下電網(wǎng)設(shè)備的運維成本。

2.3電網(wǎng)設(shè)備修復(fù)時的逆向建模

本文采用CCD攝像機、光柵投影設(shè)備獲得待修復(fù)電網(wǎng)設(shè)備的相關(guān)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(fù)電網(wǎng)設(shè)備的點云數(shù)據(jù)，從而得到待修復(fù)電網(wǎng)設(shè)備的建模參數(shù)，根據(jù)參數(shù)建立其3D模型?；?D打印技術(shù)修復(fù)電網(wǎng)設(shè)備的步驟為：首先通過三維掃描設(shè)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(fù)的設(shè)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(shè)備，由3D打印設(shè)備打印出所需的設(shè)備。采用3D打印技術(shù)修復(fù)的斷裂金具。傳統(tǒng)的修復(fù)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(fù)方法往往在連接處留有縫隙，修復(fù)的零件強度不高。采用3D打印技術(shù)修復(fù)，先通過三維掃描設(shè)備根據(jù)零件剩余部分獲得其整體的相關(guān)參數(shù)，對零件逆向建模，得到需要修復(fù)部分的模型數(shù)據(jù)，之后由3D打印設(shè)備打印出修復(fù)的部分，完成零件修補。利用3D打印技術(shù)修補后的零件在連接處不存在縫隙，具有較高的連接強度。

3智能電網(wǎng)裝備3D打印的關(guān)鍵技術(shù)需求

3D打印技術(shù)正處于發(fā)展階段，為適應(yīng)電網(wǎng)設(shè)備大規(guī)模應(yīng)用3D打印技術(shù)的需求，主要應(yīng)開展以下技術(shù)攻關(guān)：

3.1大尺度和微尺度3D打印技術(shù)

應(yīng)開展大尺度3D打印技術(shù)研究，重點攻關(guān)超大規(guī)模物件的精細打印技術(shù)研究和推廣應(yīng)用。此外，應(yīng)開展微尺度3D打印技術(shù)如微/納米機械、超聲電機等微型精密設(shè)備的制造技術(shù)研究，實現(xiàn)分子級別物件的3D打印。

3.23D打印材料的制備

通過創(chuàng)新非金屬絲狀材料制備、金屬粉末提純及研磨等工藝，多渠道降低3D打印的材料成本。同時，應(yīng)重點突破混合打印材料開發(fā)和制備技術(shù)，如陶瓷和復(fù)合材料等，提高打印材料的物理、力學(xué)和化學(xué)等綜合性能。

結(jié)語

隨著3D打印技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，“大批量的個性化定制”將成為重要的生產(chǎn)模式。3D打印與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)合，將衍生出新的細分產(chǎn)業(yè)和新的商業(yè)模式，創(chuàng)造出新的經(jīng)濟增長點。3D打印技術(shù)發(fā)展帶來的產(chǎn)品技術(shù)、制造技術(shù)與管理技術(shù)的進步使企業(yè)具備快速響應(yīng)市場需求的能力，特別是形成適應(yīng)全球市場上豐富多樣的客戶群，實現(xiàn)遠程定制、異地設(shè)計、就地生產(chǎn)和銷售的協(xié)調(diào)化新型生產(chǎn)模式，使生產(chǎn)模式、商業(yè)模式等多個方面發(fā)生根本性的變化。

參考文獻：

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（作者單位：杭州電力設(shè)備制造有限公司）