浅谈3D打印技术在天然气公司维修系统中的应用及前景

2021-05-18曲鑫

中国设备工程 2021年9期

曲鑫

（大庆油田有限责任公司天然气分公司，黑龙江大庆 163000）

随着科技的发展，3D打印技术越来越普及，目前已经大量转为民用，它属于快速成形技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术（即“积层造形法”）。3D打印技术目前已经应用在模具制作、模型制作、金属配件、建筑行业、医疗行业（比如髋关节或牙齿）等等。因此借此机会引用新技术、新科技，或将推进3D打印技术应用的持续发展。

1 3D打印技术分类

1.1 SLA技术3D打印机

SLA技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。

1.2 SLS技术3D打印机

Selective Laser Sintering选择性激光烧结（以下简称 SLS）技术。选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层叠加生成所需形状的零件。

1.3 LOM技术3D打印机

分层实体制造法Laminated Object Manufacturing，LOM层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料、薄膜或复合材料）为原材料。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。

1.4 FDM技术3D打印机

熔积成型（FDM—Fused Deposition Modeling）法,该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料,利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃）,在计算机的控制下,喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。该技术污染小。

2 3D打印技术在压缩机维修单位的应用

大庆油田天然气分公司生产维修大队承担着天然气分公司内部大型机组维修维护工作，由于大型机组的配件质量重、价格昂贵，在于培训和教学过程中，难以使用实物，而3D打印技术可以将大型配件按照实际比例缩小，采用轻质PLA材质打印出来，可以重新配件的外形和组装方式，有利于学员在学习理论的同时，增加实体物品的认知。应用3D技术制作机组配件模型存在以下几个优点：

（1）熔积成型（FDM）3D打印机价格价格便宜，耗材相对其他3D打印技术便宜，每公斤耗材75元左右，对于一般性模型100mm*100mm成本在10元左右，相对外委脱模制作培训教材，成本降低至10%至20%，适合单个塑料制品打印。

（2）随时打印，随时应用，可将需要打印物品进行测量，通过SolidWorks软件绘画后，使用切片软件切片后便可脱机或在线打印，打印完毕后便可应用，并且可在原图上随时修改。

（3）PLA材质打印模型密度1.26g/cm3，十分方便运输、展示、模拟组装等工作。

（4）3D打印技术还可以对新设计工具、工装等发明创造物品进行模拟，将设计工具打印出来测试其尺寸、功能、应用方式，测试后可进行修改，在进行机械加工制作，降低实验性物件失败造成的加工损失。

（5）通过对零部件打印，可实现对机组的整体组装模拟，可以让维修人员进行组装训练，熟练的掌握各部件作用、组装顺序，可实现理论培训无法达到的效果。

3 3D打印技术实际应用尝试

天然气分公司生产维修大队利用有限资源，对3D打印技术尝试应用在培训教学领域发挥作用，利用网络采购熔积成型（FDM）3D打印机，学习相关绘图及设计软件的应用，已经对往复压缩机气阀和干气密封各部件打印，以及组装，螺纹上紧等实验性工作。

3.1 往复压缩机气阀

往复压缩机气阀由阀座，升降限制器、阀片、缓冲垫、阀座、紧固螺栓组成。根据实际尺寸，绘制出每个零件。尝试了使用PLA材质打印紧固螺栓，制作紧固螺栓，并取得成功。

图1 3D打印气阀及组装组装

3.2 干气密封

干气密封由两级动换、两级静环、两级静环座、静环座连接盘和锁帽组成。依据实际尺寸打印零件后，使用M3、M2内六角螺栓进行紧固，达到组装效果。

图2 3D打印干气密封及组装

4 3D模具制作过程和注意事项

3D打印要通过测量、绘图、切片、打印四个步骤，由于目前FDM使用材料熔化堆积成型，致使成品边缘会有一定尺寸偏差，因此在各步骤要很多注意的方便否则打印成型后无法装配和使用。

4.1 测绘

测绘对于整个打印过程属于最关键步骤，需要对零件各点尺寸进行精细测量，由于打印机精度为0.1mm，因此测量精度也应在0.1mm左右，在测量时注意打印最低厚度不得低于3mm，否则打印效果不佳，由于是模型，可以在非装配端放宽尺寸，将效果展现出来。

4.2 制图

绘图使用软件可以为3DMAX、CAD三维图、SolidWorks等，这里建议使用SolidWorks，因为该软件使用方面，绘图快捷，并且有工业配件库查询功能。绘图要按照测绘尺寸真实绘画，图内尺寸不用按比例缩小。

每一个可拆卸配件单独一个图纸，便于打印后进行组装，可以尝试使用装配功能进行组装测试，便于复核测量尺寸已经放宽数据对装配的影响。图纸输出要使用*.STL格式，便于切片软件识别。

4.3 切片

切片软件建议使用Repetier-Host，特点简单实用，调节参数不复杂，可以实现常规打印需求，切片软件可以实现图纸放大缩小，将尺寸调整至适合打印机尺寸，并牢记比例系数，便于其他配件切片参照。因此建议先切片外尺寸最大的配件，避免因尺寸超出打印机范围，导致无法打印。切片时要注意方向，尽量平面想先，弧形面平行于打印托板，避免打印机垂直方向下方空，致使需要设置支撑，含支撑面会很粗糙。填充率尽量选择20%至40%之间，过低会造成打印塌陷，过多会造成浪费。需要螺纹连接处，要增加缝边壁厚，增加螺纹附着力，避免螺栓脱扣，造成配件无法连接。