基于3D打印技术的电网设备结构设计及制造

徐寅飞

摘要：在科技水平不断提高的过程中，制造技术也在不断进步，其中3D打印技术备受重视。3D打印又称为增材制造，是将增材材料变成粉末，将粉末热熔后层层覆盖叠加完成制造，或者利用光照射固化材料，使其接触光照后硬化成型。虽然，电力行业对3D技术的应用研究还比较少，但3D打印技术已在其他领域得到了一定的应用。

关键词：3D打印技术;电网设备;结构设计;逆向建模

引言

随着3D打印技术的飞速发展以及在航空航天、医疗器械、电子器件等领域的广泛应用，智能电网装备的结构设计制造迎来了新的机遇，但具体应用的工艺可行性和经济可行性还有待深入研究。

13D打印技术的概念和分类

1.1概念

3D打印技术，学术上又称“添加制造”（additivemanufacturing）技术，也称增材制造或增量制造。根据美国材料与试验协会（ASTM）2009年成立的3D打印技术委员会（F42委员会）公布的定义，3D打印是一种与传统的材料加工方法截然相反，基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的方式。其采用直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。3D打印技术内容涵盖了产品生命周期前端的“快速原型”（rapidprototyping）和全生产周期的“快速制造”（rapidmanufacturing）相关的所有打印工艺、技术、设备类别和应用。3D打印涉及的技术包括CAD建模、测量、接口软件、数控、精密机械、激光、材料等多种学科的集成。

1.23D打印具有如下特点和优势

①数字制造：借助CAD等软件将产品结构数字化，驱动机器设备加工制造成器件;数字化文件还可借助网络进行传递，实现异地分散化制造的生产模式。②降维制造（分层制造）：即把三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品。因此，原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，而且制造過程更柔性化。③堆积制造：“从下而上”的堆积方式对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势。④直接制造：任何高性能难成型的部件均可通过“打印”方式一次性直接制造出来，不需要通过组装拼接等复杂过程来实现。⑤快速制造：3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，因此，制造更快速、更高效。

2基于3D打印的电网设备设计

2.1低成本快速制造

随着智能电网的不断发展，对传统电力设备提出了改革要求。现代电网设备设计时要求设置大量的功能接口以便于配置智能化电力二次设备，为了保障设备中大功率芯片的散热需求，需要对传统电力设备的结构设计方法进行优化。电网设备外壳的主要成分为高分子聚合物，利用3D打印技术制造电网设备外壳具有造型多样及操作灵活的特点，大多采用分片粘结技术，制作时间较短。智能电容器外壳设置了外部接口、板件支撑等，使操作空间更为合理，安装及维护较为方便。3D打印技术用于电力设备的研发，其研发周期比较短，所用时间不到注塑成型周期的一半。电力设备的制造要充分考虑加工成本及材料成本，成本上万元的注塑成型产品，利用3D打印只需几千元。

2.2复杂结构的优化

在特高压输电技术不断发展的过程中，不仅要求电力设备具备较高的机械性能，而且还要有较小的产品质量和较低的生产成本。运用3D打印技术对特高压输电设备进行结构优化设计，以实现特高压输电设备的结构优异性。使用同样数量的材料，优化之后的电子设备承力支座结构比较均匀，没有应力集中，承力支座的使用寿命及可靠性得到了进一步的提高。电网设备多种多样，其运行环境也比较复杂，因而对配网设备的运维检修、优化等需求较高。在电网设备维护及检修过程中，由于电网环境的复杂性，对于已经投入使用的配网设备无法直接进行优化，当设备局部出现损坏时就会作废。其中一些具有特殊用途的配件，其采购周期较长，且一次采购的数量较少，采购成本较高，造成维修环节没有可以替换的设备，从而影响电网的稳定运行。引入3D打印技术，可以有效摆脱配件采购周期的限制，及时获取维修配件。在实际运行过程中，设备老化、低精度等都易使供电设备出现故障，利用3D打印技术创建设备3D模型，模拟设备正常运行和故障状态，能有效提高故障的定位精度及速度。由于相同的电力设备、配件其损坏的原因、位置和程度有相似之处，若单独创建其3D模型，时间长、成本高，因此在满足生产运行需求尤其是满足电力参数要求的基础上，创建电力设备、配件的3D模型库，便于快速建模修复损伤的设备、配件，降低复杂环境下电网设备的运维成本。

2.3电网设备修复时的逆向建模

本文采用CCD摄像机、光栅投影设备获得待修复电网设备的相关数据，由计算机对获得的数据进行运算处理，得到待修复电网设备的点云数据，从而得到待修复电网设备的建模参数，根据参数建立其3D模型。基于3D打印技术修复电网设备的步骤为：首先通过三维扫描设备，利用离散点坐标获得目标的外形尺寸，利用图像处理系统进行分析和拟合，对待修复的设备逆向建模，得到其三维模型;然后将其三维模型输入3D打印设备，由3D打印设备打印出所需的设备。采用3D打印技术修复的断裂金具。传统的修复方法是制作断裂部分的实物，然后与剩余部分焊接，此种修复方法往往在连接处留有缝隙，修复的零件强度不高。采用3D打印技术修复，先通过三维扫描设备根据零件剩余部分获得其整体的相关参数，对零件逆向建模，得到需要修复部分的模型数据，之后由3D打印设备打印出修复的部分，完成零件修补。利用3D打印技术修补后的零件在连接处不存在缝隙，具有较高的连接强度。

3智能电网装备3D打印的关键技术需求

3D打印技术正处于发展阶段，为适应电网设备大规模应用3D打印技术的需求，主要应开展以下技术攻关：

3.1大尺度和微尺度3D打印技术

应开展大尺度3D打印技术研究，重点攻关超大规模物件的精细打印技术研究和推广应用。此外，应开展微尺度3D打印技术如微/纳米机械、超声电机等微型精密设备的制造技术研究，实现分子级别物件的3D打印。

3.23D打印材料的制备

通过创新非金属丝状材料制备、金属粉末提纯及研磨等工艺，多渠道降低3D打印的材料成本。同时，应重点突破混合打印材料开发和制备技术，如陶瓷和复合材料等，提高打印材料的物理、力学和化学等综合性能。

结语

随着3D打印技术和商业应用的发展，“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。3D打印与现代服务业的紧密结合，将衍生出新的细分产业和新的商业模式，创造出新的经济增长点。3D打印技术发展带来的产品技术、制造技术与管理技术的进步使企业具备快速响应市场需求的能力，特别是形成适应全球市场上丰富多样的客户群，实现远程定制、异地设计、就地生产和销售的协调化新型生产模式，使生产模式、商业模式等多个方面发生根本性的变化。

参考文献：

[1]  陈兴江，刘彦章，张峰.基于3D打印技术的主泵试验用叶轮研制[J].机械设计与制造，2017（增刊1）：67-69.

[2]  李涤尘，田小永，王永信，等.增材制造技术的发展[J].电加工与模具，2012（S1）：20-22.

[3]  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）：26-31.

（作者单位：杭州电力设备制造有限公司）