3D打印技術在煤礦機械中的應用研究

摘 要：3D打印技術作為先進制造技術的代表，是推動煤礦機械制造智能化的重要手段，其在未來的煤礦機械制造中終將發揮更重要的作用，將為煤炭行業的發展提供技術支撐。本文詳細介紹了3D打印技術的原理及主要技術手段，分析了其應用于煤礦機械的優勢與不足，闡述了3D打印技術在煤礦機械制造領域中的應用并展望了其在煤礦機械領域的應用前景。

關鍵詞：3D打印技術;煤礦機械;機械制造;智能化

中圖分類號：TD712文獻標識碼：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濟、安全的能源，煤礦機械制造在我國有著舉足輕重的作用。我國煤機裝備中低端產品過剩，高端高可靠性產品緊缺，核心競爭力與創新能力不足，一些關鍵元部件仍需從外國進口。新一輪產業革命的背景下，我國煤機裝備更需在產品可靠性、智能化等方面不斷創新，以智能制造助推我國煤機裝備產業與技術走向國際發展的高地[1]。

在新一輪的工業革命浪潮下，3D打印作為先進制造技術的代表正在逐步嶄露頭角，英國石油公司將3D打印列為未來幾年將顯著影響能源行業的六項技術之一（其余五項為人工智能、區塊鏈、自動駕駛和替代能源）。該項技術將可透過互聯網信息技術平臺，和物聯網、大數據、智能材料等眾多先進技術緊密融合，實現智能化制造，改變人類的生產方式和生活方式。3D打印技術相對于傳統加工技術的巨大優勢，將3D打印技術應用到煤礦機械的研發生產制造當中，與我國煤礦機械智能化的發展趨勢完全一致，為我國制造業的發展和升級帶來重大機遇。

1 3D打印技術原理

3D打印技術是通過CAD設計數據并采用材料逐層累加的方法制造實體零件技術，相對于傳統的減材制造（切削加工）和等材制造（鐓鍛等）技術，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行堆積的成形過程，可分為前期數據處理（離散）和物理實現（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據，各種成形工藝根據各自具體的工藝要求，獲得控制成形頭運動的軌跡;在堆積成型過程中，成形頭在運動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。兩個過程循環往復，直到整個零件加工完畢[2-5]。

根據成型工藝與原材料的不同，3D打印技術主要技術手段為：

（1）光固化成形：最早出現的快速原型制造工藝，多以光敏樹脂為原料，用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面使其固化成型;

（2）激光燒結成型：以激光為熱源對粉末壓坯進行燒結成型，可實現高熔點金屬和陶瓷的黏結，對常規燒結爐不易完成的燒結材料，此技術優勢明顯;

（3）分層實體成型：以薄片材（如紙片、塑料薄膜或復合材料等）為原材料，通過薄片材進行層疊加與激光切割，留下尺寸內材料成型。該方法制造成本低，但較為浪費材料，且僅限于結構簡單的零件成型;

（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金屬粉末的熔融成型，對于易氧化或易和空氣中某些元素進行反應的金屬（比如鈦金屬），此技術優勢明顯。

2 3D打印技術應用于煤礦機械的優勢與不足

2.1 3D打印技術應用于煤礦機械的優勢

第一，易實現個性化定制，尤其對于小批量、難加工零部件有利于縮短產品設計和生產周期，其優勢明顯;第二，易于實現再制造，特別是用于產品的修復再造環節，利于節約成本;第三，助力實現智能化，能將物聯網、大數據、智能材料等眾多先進技術緊密融合，智能化控制制造過程，實現機器換人;第四，改變煤礦機械領域某些特定關鍵零部件使用傳統制造方法難以加工的現狀，為此類難加工零件加工提供新的解決思路和途徑。

2.2 3D打印技術應用于煤礦機械的不足

第一，3D打印技術其自身工藝和材料還有待繼續發展，相比于傳統的等材和減材制造方法，3D打印的能適用材料單一，要求較為苛刻嚴格，3D打印成型件的抗拉壓屈曲性能、抗剪性、結構穩定性、表面硬度等綜合力學性能及表面粗糙度、尺寸精度等都相對較差[6];第二，對大批量零部件生產適應性不強，現階段的3D打印更多是為了滿足個性化生產需求，材料和工藝的專用性較強，加工效率相對較低，無法實現規模化生產;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、設計后處理以及材料等環節的成本。

3 3D打印技術在煤礦機械中的應用

3.1 煤礦機械修復

3D打印技術在煤礦設備維修領域擁有巨大的市場和未來發展潛力。其在煤礦設備維修中的優點是不需要機械加工設備和模具，利用計算機信息技術對故障零部件進行數字化建模及切片處理，直接根據三維數據模型現場加工故障零部件。甚至應用3D打印方式可在煤礦井下現場快速加工完成作業，省略了正常加工過程中的下單、加工過程及零部件運輸環節。對于某些在特定零部件，3D打印應用于煤礦機械修復不僅僅是簡單的修補，而是可起到零件表面增強效果。如激光成形修復技術解決了傳統激光熔敷技術在成形方面的缺陷和不足，綜合了三維成形與表面強化技術的特長，同時能夠實現多材料的復合制造，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相修補至易磨損部位，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械的受損修復問題[7]。

3D打印技術應用于煤礦機械修復既縮短加工周期、降低生產成本，提高了設備故障維修效率，也能有效地防止單個零部件故障導致的設備異常運行造成其余零部件的損壞失效問題。目前，其典型應用主要有以下幾個方面：

（1）刮板運輸機鏈輪修復。鏈輪屬于煤礦井下刮板輸送機的重要零部件，為解決鏈窩和齒側壁等的尺寸超差、磨損嚴重等問題，遼寧工程技術大學翟建華等人運用了金屬3D打印技術成功對礦刮板運輸機的鏈輪進行了修復，3D打印的鏈輪的整體成型效果已與標準鏈輪相一致，能夠達到預期的設計要求[8]。

（2）乳化液泵站修復。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，同時也為其他煤礦液壓設備提供動力源，容易發生滑道孔磨損、刮傷、灼燒和破損以及軸承孔變形、磨損、劃傷等情況。神東煤炭集團喬永軍利用激光立體成型技術（LSF）對劃傷、磨損的乳化液泵站殼體進行了修復，修復后的乳化液泵站殼體的各項技術指標達到使用要求，修復的成功率也有所提高，減少了零件的報廢率[9]。

（3）液壓支架修復。煤礦井下液壓支架出井后，立柱柱塞表面往往會出現鍍鉻面銹蝕、機械性損傷、鍍鉻層脫落等問題。大同煤礦集團有限責任公司張超等人對液壓支架立柱柱塞表面經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于電鍍層[10]。

3.2 煤礦機械產品的快速研發與直接制造

3D打印技術用于煤礦機械產品的快速研發與直接制造，可直接使用基于煤礦機械產品模型數字化定義的數據進行制造，突破了傳統制造方式從產品的三維設計模型再到二維加工圖紙再到制造工藝文件過程中信息傳遞鏈條的斷裂，尤其是對于需要開模加工或者加工試制工序特別繁雜的零部件，很好的保證了產品的研制及生產的質量和效率。

中煤科工集團西安研究院李鎖志成功將SLA成型工藝應用于基礎模具加工，配合現有軟模成型工藝，加工鉆頭基礎模具用于煤礦井下用的鉆頭制造，改進了傳統模具加工工藝，采用3D打印技術制作模具縮短了新產品研發周期，實現了復雜結構及唇面形狀的PDC鉆頭高效研發，保證了煤礦井下用鉆頭的使用壽命和效率[11]。韓斌慧等人對某型號采掘機械用液壓閥塊中的密封紙墊沖孔加工采用的進口沖頭國產化過程中，針對零件尺寸小、刃口部位薄弱等難題以及較高的沖切強度和耐磨性的要求，反復嘗試了多種制造方案，最終采用3D打印方式制造出內孔為1mm及以上的掘進機密封墊沖頭以替代國外進口件，達到了普通傳統機械加工難以滿足的制造精度，且具備優良的耐用性能[12]。冀中能源峰峰集團天擇公司將3D打印技術應用在無模鑄型制造技術上，代替傳統的木模和砂型制作，通過專業設備直接將鑄造型腔打印出來，從而研制成功了具有國內領先水平的3D打印滾輪罐耳輪轂，其鋁合金材質具有重量輕、強度高、耐腐蝕等特點，在不增加滾輪罐耳成本的前提下，大幅延長了使用壽命。張紹和等人利用選擇性激光燒結技術、選擇性激光熔化和光固化技術制造金剛石鉆頭、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，獲得了理想的試驗效果[13]。

3.3 煤礦機械產品模型驗證與檢測

機械產品從設計到驗證有時會面臨費時費力或成本過高問題，特別是在煤礦井下作業工況惡劣的場景。3D打印技術目前已經應用到煤礦機械產品模型驗證與檢測，為煤礦產品的快速驗證提供了可能。

河南理工大學劉寶等人利用3D打印技術建立了煤礦井下綜采工作面高壓電纜繞“8”字減扭收卷裝置實體模型，利用熔融沉積快速成型技術通過模型試驗，驗證了裝置運行滿足設計要求[14]。西南石油大學冷靜等人基于3D打印技術對復合鉆頭進行了制造方法研究，根據打印出來的復合鉆頭模具在實際檢測中的校準與測試可以在鉆頭模型設計軟件中中及時更改和修正鉆頭設計數據文件，從而縮短鉆頭加工設計周期[15]。華北科技學院胡德志等人將3D打印技術用于采區巷道系統性能的整體研究，減少了系統的不確定性因素，提升了設計系統的安全系數，實現防范瓦斯爆炸、改進礦井的通風效果和優化系統結構模型得到快速驗證，使礦山開采規劃更加科學化[16]。

4 3D打印技術在煤礦機械中的應用展望

由于成本、效率及自身技術發展等因素的制約，目前3D打印技術在煤礦機械行業多用于維修領域，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行原型件的設計和制造。筆者認為，結合煤礦機械行業的特點，3D打印技術未來可能將產生以下影響：

（1）在高端煤礦機械產品中應用越來越廣泛，特別是針對某些高價值、難加工零部件的制造。3D打印技術能夠制造在傳統制造工藝下無法實現的復雜形狀及特殊定制材料，例如針對礦區煤層氣開發領域的特殊地層，為了提高破巖效率以及鉆頭的清潔和冷卻效果，鉆頭的設計、加工將更為復雜，3D打印技術為這些功能的實現提供了可能;煤礦井下使用的泥漿泵活塞陶瓷缸套，未來使用3D打印的方式實現制造，提高活塞壽命。

（2）3D打印技術未來或將改變煤礦機械供應商的售后及供應模式。在傳統的售后市場供應鏈上，一個關鍵的挑戰是對備件庫存的管理。而使用3D打印機按需制造替換零件的能力會改變售后服務的經濟效益和產業結構，3D打印技術應用的實際影響可能更加深遠。在偏遠礦區，可使用3D打印技術制造替換零件，而不需從制造商處重新采購，這將有助于減少設備的等待時間;一些具備現場3D打印能力的小型設施可能會取代大型的地區性倉庫，一些維修件的供應甚至可以外包，甚至小型加工廠可以根據礦方直接提供的數據現場制作設備所需的大部分零件，來滿足礦方的不同需求，這種產業鏈布局未來將是對傳統售后及供應模式的一種顛覆。

（3）隨著技術的發展，3D打印技術將會充分發揮其優勢，實現與傳統制造工藝的共存融合、優勢互補，對煤礦機械制造技術的促進作用愈加明顯。當前隨著定制化成為一個主導的生產模式，對3D打印的需求正在擴大。3D打印技術在煤礦機械領域的研發、產業化及應用推廣，其應用價值將逐步追趕傳統等材和減材制造方式，形成三足鼎立局面。3D打印技術與傳統等材、減材制造技術的共存融合、優勢互補將發揮巨大效益，助力煤礦機械行業的發展。

5 結語

雖然3D打印技術目前因存在一些技術和成本方面的問題，較多地應用于原型制造。但3D打印技術與傳統的制造方式相比更加靈活多變，具有更加寬廣的適用范圍，隨著煤礦行業各種特殊需求以及相關技術的發展對3D打印技術的不斷推動，相信3D打印技術直接制造終端零部件在煤礦機械領域將很快成為可能，其在未來的煤礦機械制造中終將發揮更重要的作用，為煤炭行業的發展提供技術支撐。

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作者簡介：米隴峰（1992-），男，漢族，陜西寶雞人，碩士，工程師，現主要從事煤礦用鉆探裝備設計與制造的研究工作。