3D打印技術在煤礦行業設備維修中的應用

馬耀武

（大同煤礦集團有限責任公司四老溝礦，山西大同 037000）

0 引言

設備維修所采取的傳統方法大多為事后維修，即事先將備件儲存，等設備出現故障停止生產時，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打印技術與故障在線監測系統相結合的方式，在設備產生故障停機前就找出發生故障的位置及受損零件，然后再由數字化模型庫將發生故障的零部件的三維模型進行導出，運用3D打印技術進行加工[1]。

新型的維修方法可以確保礦井下各個生產設備的持續運行，利用在線監測系統，及時找出故障發生部位和受損零件，運用3D打印技術完成現場生產工作，并且隨時可以停止更換零件，使煤礦的停產時間和生產成本得到極大降低，確保設備的持續運行。

1 煤礦設備維修現狀

煤炭是中國的一種支柱性產業，推動了中國經濟的發展。近些年來，隨著國內對綠色環保能源的全力推廣，以及市場供求量的不斷提升，煤炭產業的銷售量進入了低谷期，煤炭企業開始減少自身的生產成本?，F階段，在煤炭企業的生產中，維修機械所需的成本占據總成本的一大部分。為了避免因設備故障而出現停產現象，煤炭企業擴大了人力與物力的投資[2]。

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

（2）當設備的零件出現故障時，用戶應當及時與廠商溝通后再下單，廠商在生產結束后，將零件運輸到現場，這個過程需要很長的周期和較高的成本。

（3）為避免因設備突發故障而停產，煤礦企業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，且保養費用過高。此外，一些零件存放時間過長將會導致材料老化，影響正常生產。

目前，因國內所采用的設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較多的資金積壓，這對煤炭企業的發展造成了制約。針對這種狀況，煤炭企業開始研發一種迅速加工零件的方法[3]。

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

2 3D打印技術工作原理及現狀

3D打印機，別名“三維打印機”，是一種堆積加工技術，即可以迅速成形技術的一種生產設備，是基于數字模型，利用一些可黏合性的材料，經過反復堆積加工成三維物體[4]。現階段，國內最常運用的3D成型技術主要有以下幾種。

（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）激光燒結成形，主要利用激光照射將粉狀材料燒結成形。

（3）分層實體成形，主要將每一層的材料加以切割，使尺寸之內的材料成形。

（4）光固化成形，主要利用激光照射將液態資料進行固化成形。

3 3D打印技術特點

隨著智能技術的不斷發展，3D打印技術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，設備的加工成本也在不斷降低，在生產加工領域中的優勢越來越明顯。

（1）加工成本低

3D打印技術的適用范圍主要為單個或小批量零部件的加工生產，對類型繁多、數量過少的煤礦設備維修具有十分重要的作用。煤礦設備大多龐大而沉重，加工數量較少，在后期的維修中不能依靠生產線上批量生產的零件，只能運用零散加工的方式來生產備件，導致生產成本較高、周期較長、庫存量較大。3D打印技術的興起轉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設備維修具備十分重要的作用[5]。

（2）生產周期短

通過將3D打印技術與零部件的數字化模型相結合，使產品加工的時間、周期得到極大縮短，煤礦設備的維修效率得到極大提升，同時避免了因設備維修所導致的停產損失。同時，3D打印技術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

與傳統的加工方式相比，3D打印技術可以一次成型，不需要利用機械設備，只需要構建數字化模型，這種方式極大縮短了零部件的加工時間，提高了生產效率[6]。

（4）加工過程產生廢料少

傳統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，因此具有較高的經濟價值。

4 3D打印技術在煤礦行業的應用

隨著3D打印技術的深入發展，這種加工形式已不再停滯于試驗研究階段，而被廣泛應用于社會各個領域中，在煤礦企業的設備維修中也有重要意義。該方式在設備維修中所發揮的優勢是不需要使用機械設備和模具，可以直接依據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，提高了生產效率[7]。3D打印機構建的三維模型如圖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，不僅可以迅速實現零部件的加工，而且精簡了加工過程中的下單過程。通過開展相應的檢測，可以迅速確定設備的故障類型及產生故障的零部件，之后再明確相應的參數，運用計算機技術來為發生故障的零部件構建數字化模型，利用3D打印技術來進行生產，其過程如圖2所示。

圖2 煤礦設備維修中3D打印技術的應用

這種方式可以減少加工周期和成本，提高故障設備的維修效率，有效避免了因個別零部件出現故障而影響設備運行，導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都滿足設備要求，加工程序較為簡單、時間較短。

5 3D打印技術在其他行業的應用

英國航空航天系統公司利用3D打印金屬零件制造的第一部戰斗機已經試飛成功，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動機掛架構件的供應問題，空客公司與美鋁公司達成了一致協議。美國海軍運用3D打印技術加工了相應的艦艇部件，希望以此來提高任務的執行速度，并減少生產成本。

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

6 結束語

3D打印技術的深入應用將會為中國煤炭企業生產設備的維修發展提供一個有效的平臺，完善現階段設備維修的不足，減少備件加工周期和成本，提高生產效率。為了推動煤炭企業的持續發展，應當與其他技術相結合，加快3D打印技術的發展速度，推動煤炭行業的持續發展。