3D打印技术在煤炭行业设备维修中的研究初探
姚 荣
（神华宁夏煤业集团有限责任公司梅花井煤矿，宁夏银川751400）
摘要 针对目前煤炭行业设备零部件加工周期长，生产效率低下，库存量大，生产成本大等问题，提出将3D打印技术引用到煤矿设备维修中，分析阐述了3D打印技术的工作原理及工艺特点，列举了该技术在其他行业的应用情况。为煤炭行业设备维修中无法批量生产的重要零部件的加工提供了新思路。分析结果表明：3D打印技术应用快捷方便，缩短零部件的加工周期。将3D打印技术应用于实践中，验证了其加工工艺简单，加工速度快，生产成本低。
关键词3D打印 煤炭行业 设备维修 生产成本
1煤矿设备维修现状
煤炭是我国的支柱产业，带动了我国经济的飞速发展。近几年，随着国家对绿色清洁能源的大力推广，以及市场供求关系影响，我国的煤炭销售陷入了低谷期，各大煤炭企业开始降低生产成本。目前，煤矿机械设备维修费用占据了生产成本的很大一部分，为了防止采煤设备出现故障而导致矿井停产，各煤炭企业投入了大量的人力和物力。
煤矿采煤设备种类繁多，数量较少，无法实现零部件的批量生产，只能针对相应设备需求进行零部件的少量加工，加工费用大。
设备零部件出现故障时，用户需要与设备供应厂家进行沟通，然后下单，厂家加工完成后，将零部件运输至现场，该过程周期长，成本高。
为防止设备突然发生故障影响正常生产，各煤矿企业选择容易损坏的部分零部件进行备用，零部件的储存需要专门的场所并由专人管理，并定期需对其进行维护保养，保养费用较高。其次，部分零部件具有有效期，存放时间过长会导致材料老化，从而影响正常使用。
由于目前我国煤矿设备维修主要采用更换备用零部件，因此，大量的备用零部件储存导致了煤矿企业大量的资金被积压，严重制约了煤炭企业的发展。针对以上情况，我们开始寻找一种快速加工零部件的方法。
3D打印技术近年来作为一种新型加工方式被其他行业广泛应用。2013年美国DIY爱好者科迪·威尔森利用3D打印技术制造出手枪并试射成功，引起了世界各国科学家的高度重视，美国科学家甚至将3D打印技术看作“第三次工业革命的标志”。由此可见，在未来的设备制造及维修领域，3D打印技术具有广泛的应用潜力。
2 3D打印技术的工作原理及现状
3D打印机又称为三维打印机，是一种堆积制造技术，即快速成型技术的一种加工设备，它以数字模型文件为基础，运用塑料或粉末状金属等可黏合材料，通过将其一层层堆积来制造三维物体。
目前常用的3D成型技术手段主要有：①熔积成形，原理是通过高温将丝材熔化成形；②激光烧结成形，原理是通过激光照射，将粉状材料烧结成形；③分层实体成形，原理是对每层材料进行切割，留下尺寸内材料成形；④光固化成形，原理是通过激光照射，使液态材料迅速固化成形。
3 3D打印技术特点
随着智能技术的成熟发展，3D打印机的打印精度和速度有了较大的提高，材料也由原来的塑料等升级为陶瓷、金属等材料，设备制造成本也进一步降低，其在制造领域的优势逐渐凸显。
3.1加工成本低
3D打印技术适用于单件、小批量零部件的生产，这一点对于型号种类多、数量少的煤矿设备维修具有很重要的意义。煤矿设备粗大而笨重，生产数量稀少，在后续维修中无法依靠生产线批量生产零部件，只能采用零散的加工方式提供备件，导致备件成本高、周期长、库存量大。而3D打印技术改变了传统的零部件加工模式，颠覆了传统量大优惠的思想，对于型号繁多的煤矿设备维修保障工作意义重大。
3.2生产周期短
3D打印技术与零部件数字化模型相结合，从模型输入到产品成型只需要较短的时间，大大缩短了生产周期，提高了煤矿设备维修效率，减少了因设备维修导致煤矿停产造成的损失。同时，3D打印技术可以随时对零部件模型进行修改，对于提高零部件的可靠性及使用寿命具有重要意义。3D打印机组成结构如图1所示。
图1以塑料为原料的3D打印机
3.3加工工序简单
较传统加工方式，3D打印技术一次成型，无需机械加工设备，只建立数字化模型，该方式大大简化了零部件加工过程，提高了生产效率。
3.4加工过程产生的废料少
传统的加工方式是对零部件的原料进行除去加工，将不需要的部位材料除去，产生大量的废料，而3D打印技术则采用了添加原料的加工方式，有效地控制了材料的浪费，提高了材料使用率，因此具有很高的经济使用价值。
4 3D打印技术在其他行业的应用
英国航空航天系统公司首架装配3D打印金属零件的旋风式战斗机在英国试飞成功，飞机上的3D打印部件包括驾驶舱无线电防护罩、起落架防护装置和进气口支架。部分零件造价不到100英镑，大大降低了飞机零部件的造价。美铝公司与空客公司就供应3D打印钛合金机身和发动机挂架组件达成协议。美国海军实验了利用3D打印技术快速制造的舰艇零件，希望借此提升执行任务速度并降低成本。
由此可见，3D打印技术作为一种新型的加工技术，已经初步进入航空和军事领域，在不久的将来，该技术将会成为统领全球的零部件加工技术。
5 3D打印技术在煤矿设备维修中的应用
随着3D打印技术的不断发展，该加工方式不仅仅停留在实验室研发阶段，而是在越来越多的领域被应用，在煤矿设备维修领域也有巨大的市场。其在煤矿设备维修中的优点是不需要机械加工设备和模具，直接根据三维数据模型现场加工出各种形状的零部件，大大缩短了加工时间，提高了生产效率并降低了加工成本。3D打印机建立的零部件三维模型如图2所示，打印出的零部件模型如图3所示。
图2锥齿轮和斜齿轮模型
图3 3D打印锥齿轮和斜齿轮
在煤矿井下应用3D打印方式即可实现设备维修备件的现场快速加工，省略了正常加工过程中的下单、加工过程。通过检测手段，对矿井下设备的故障类型及具体故障零部件进行确定，然后确认零部件参数，利用计算机信息技术对故障零部件进行数字化建模，利用3D打印技术加工，应用过程如图4所示。
图4 3D打印技术在煤矿设备维修中的应用
该种方式缩短了加工周期，降低了生产成本，提高了设备故障维修效率，有效地防止了因单个零件故障导致设备异常运行造成其余零部件损坏。
以塑料为原料的3D打印机加工皮带机支架模型，模型在尺寸精度和表面粗糙度方面完全符合设备要求，加工工序简单，加工时间短。
6 3D打印技术应用展望
传统的设备维修是事后维修，其维修方式是提前将备件储存，等设备发生故障停产时，通过检修，确定故障部位，然后更换零部件。而新型设备维修方式是事前维修，即将设备故障在线监测系统与3D打印技术相结合，在设备出现故障停机前确定故障部位以及损坏的零部件，然后从数字化模型库中导出故障零部件的三维模型，利用3D打印技术进行加工，其应用过程如图5所示。
该种维修方式保证了煤矿设备的连续性运行，运用在线监测系统，及早地发现故障部位和损坏的零部件，通过3D打印技术实现现场加工生产，随时可停机更换零部件，大大减少了煤矿停产时间，保证了设备的连续运行，降低了生产成本。
图5 3D打印技术与在线检测系统结合应用
7结论
3D打印技术的应用，可为我国煤炭设备的发展提供一个新平台，弥补了当前我国煤炭行业设备研发、制造和维修的不足，缩短备件加工周期，提高生产效率，降低生产成本。为实现煤炭企业的长远发展，我们应结合其他先进技术，推动3D打印技术的全面发展与应用，为煤炭行业的发展提供技术支撑。
参考文献
［1］刘铭，张坤，樊振中．3D打印技术在航空制造领域的应用进展［J］．装备制造技术，2013（12）.
［2］王雪莹．3D打印技术及其产业发展的前景预见［J］．创新科技，2012（26）.
［3］陈淳辉．刍议3D打印技术在舰船装备维修保障中的应用［J］．现代制造技术与装备，2015（1）.
［4］李小丽，马剑雄，李萍，等．3D打印技术及应用趋势［J］．自动化仪表，2014（1）.
［5］王文涛，刘燕华．3D打印技术发展趋势及对我国结构转型的影响［J］．科技管理研究，2014（6）.
［6］黄兵．三维打印支撑材料及成形工艺的研究［D］．华中科技大学，2009.
［7］李怀学，巩水利，孙帆等．金属零件激光增材制造技术的发展及应用［J］．航空制造技术，2012（20）.
作者简介
姚荣，生于1988年，宁夏海原人，现任国能集团宁夏煤业有限责任公司梅花井煤矿技术员，主要从事煤矿机电设备管理等方面的工作。