精密鉆井工具3D打印制造試驗研究

曹繼飛

實驗研究

精密鉆井工具3D打印制造試驗研究

曹繼飛

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）①

在精密鉆井工具研發(fā)制造過程中，傳統(tǒng)制造工藝存在工藝流程繁瑣、材料損耗大、工藝成品率低、制作周期長等問題。3D打印技術(shù)能夠精確、快速地實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)工具的加工與制造，研究分析了將其用于精密鉆井工具加工制造的可行性，確定了精密鉆井工具三維模型的建立方法。在此基礎(chǔ)上制定了3D打印技術(shù)方案，完成了2件鉆井工具部件的3D打印加工及性能測試，最后對3D打印精密鉆井工具的發(fā)展趨勢進行了分析。

3D打印；精密工具；制造技術(shù)；試驗研究

與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反，3D打印技術(shù)是一種基于三維數(shù)字模型的，采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝。與傳統(tǒng)制造工藝中通過原材料的剪裁、拼接工序不同，3D打印體現(xiàn)了其設(shè)備的小型化、智能化及個性化特征。

隨著智能制造技術(shù)的進一步發(fā)展，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也被推向更高的層面，這無疑也給鉆井工具的設(shè)計和開發(fā)提供了一種新的技術(shù)。利用3D打印技術(shù)對石油鉆井工具進行精確、快速成型，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計人員的設(shè)計理念和水平，大幅縮短工具的設(shè)計和制造周期，滿足不斷變化的個性化設(shè)計要求，提高新產(chǎn)品的開發(fā)和推廣應(yīng)用水平，這也給精密石油鉆井工具的設(shè)計和制造提供了一種新思路。

1　現(xiàn)有制造工藝缺陷

隨著石油勘探開發(fā)難度的增大，對鉆井工藝及其配套裝備的要求也逐步提高。因此，結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜的智能化鉆井工具也得到廣泛引進應(yīng)用及研發(fā)，但傳統(tǒng)的制造工藝在精密鉆井工具研發(fā)制造過程中，工具開發(fā)的調(diào)整修改頻繁，傳統(tǒng)工藝流程繁瑣，制作周期長，結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，傳統(tǒng)加工工藝成品率低，材料損耗大、成本高，制造精度提升，周期長，影響工具開發(fā)周期及成品功能、壽命，使得工具的設(shè)計水平很難在制造中體現(xiàn)，無法滿足不斷變化的個性化工具設(shè)計要求［1-3］。

2　打印技術(shù)及成型材料性能

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到較為成熟的水平，能夠在0.01 mm的單層厚度上實現(xiàn)600 dpi的分辨率，打印材料從主流的高分子材料到金屬、陶瓷、石料均可。

3D打印技術(shù)根據(jù)打印所用材料及生成片層方式的不同，可以分為以下4種：

1）絲材擠出熱熔成型，例如熔融沉積制造技術(shù)（FDM）。

2）粉末／絲狀材料高能束燒結(jié)及熔化成型，例如選擇性激光燒結(jié)（SLS）。

3）液體材料加工方法，例如光固化成型（SLA）。

4）三維打印黏結(jié)成型（3DP）。

這些技術(shù)的主要區(qū)別在于打印速度、成本、可選擇材料和色彩能力等方面，其主要不同總結(jié)如表1。

表1　3D打印技術(shù)類型

3D打印技術(shù)中最重要的部分是打印材料的性能。Heinl、Hernandez、K.N.Amato等對鈦合金和不銹鋼等金屬材料的激光燒結(jié)成型件與鍛件的力學性能進行了對比分析，如圖1所示。由圖1可以看出：3D打印成型件的拉伸強度提高了19%，屈服強度提高了12%，延伸率提高了49%，斷面收縮率提高了105%，洛氏硬度39～40 HRC，都高于鍛件的性能要求，這也說明將該技術(shù)應(yīng)用于精密鉆井工具的設(shè)計制造上是可行的［4-7］。

圖1　激光燒結(jié)件與鍛件性能對比

3　精密鉆井工具三維模型建立

精密鉆井工具三維模型的建立方法分為正向工程和逆向工程2種。正向工程主要是運用三維設(shè)計軟件（SolidWorks、UG、Pro／E）進行工具的數(shù)字化建模，進行必要的有限元分析，最終形成完善的設(shè)計方案。逆向工程是針對現(xiàn)有的三維實物，利用數(shù)字化三維測量設(shè)備準確、快速地測量實物輪廓的幾何數(shù)據(jù)，然后加以建構(gòu)、編輯，實現(xiàn)數(shù)字化建模，從而進行加工制造［8-10］。流程如圖2。

圖2　3D打印三維建模流程

4　精密鉆井工具3D打印方案

以某液壓系統(tǒng)殼體和接線蓋板為例，制定了精密鉆井工具3D打印方案，如圖3。首先根據(jù)所加工工具的成型精度和產(chǎn)品性能對打印材料和技術(shù)進行優(yōu)選，利用三維建模軟件建立待打印工具的數(shù)學模型，然后通過切片處理進行優(yōu)化，完成工具的打印加工，最后根據(jù)產(chǎn)品的性能要求進行必要的后處理技術(shù)。

圖3　精密鉆井工具3D打印方案

4.1打印材料優(yōu)選

根據(jù)液壓系統(tǒng)殼體及接線蓋板性能要求（如表2），對現(xiàn)有的打印材料進行優(yōu)選，優(yōu)選出了IN718金屬粉末作為打印材料。該粉末具有高強度、硬度和較好的焊接和耐腐蝕性能，各指標滿足所加工工具的性能要求，如表3。

表2　工具性能要求

表3　IN718金屬粉末性能

4.2打印方式優(yōu)選

液壓系統(tǒng)殼體及接線蓋板均為金屬制成品，結(jié)合其使用性能要求，選用SLS激光燒結(jié)打印技術(shù)。基于加工精度、價格等方面的考慮，打印機選用德國EOS公司M280系列。

4.3三維模型的建立及工具打印

通過三維建模軟件完成了液壓系統(tǒng)殼體及接線蓋板三維模型的建立，如圖4。將模型輸入打印軟件，對其進行切片優(yōu)化處理，最終完成了2種工具的打印加工，如圖5～6。

圖4　三維模型

圖5　液壓系統(tǒng)殼體成品

圖6　接線蓋板成品

5　打印工件后處理工藝及性能評價

5.1接線蓋板

接線蓋板打印件經(jīng)后處理后對其加工尺寸、力學性能及表面粗糙度進行了測試，加工尺寸在設(shè)計精度要求之內(nèi)，力學性能測試結(jié)果（如表4）顯示，噴砂后正面粗糙度R a為2.4，側(cè)面為2.9。打印工件無論是在表面粗糙度、邊緣圓孔加工，還是內(nèi)部不規(guī)則腔體的加工上都優(yōu)于常規(guī)加工件，完全可以滿足使用要求。

表4　接線端頭性能測試

5.2液壓系統(tǒng)殼體

液壓系統(tǒng)殼體打印件經(jīng)后處理后對其加工尺寸、力學性能及表面粗糙度進行了測試，加工尺寸在設(shè)計精度要求之內(nèi)，力學性能測試結(jié)果如表5。由表5可以看出：打印件無論在強度還是韌性上都滿足了工具的設(shè)計要求。室內(nèi)測試試驗表明打印件也能夠滿足工具的裝配要求，但工具內(nèi)外表面及油孔對光潔度的要求比較高，需要采取進一步后處理工藝以滿足使用要求。

表5　液壓系統(tǒng)殼體性能測試

6　結(jié)論

1）3D打印技術(shù)的加工工藝簡單，加工周期短，不需要模具，能夠?qū)崿F(xiàn)個性化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)，能夠滿足精密鉆井工具個性化加工的需求。

2）3D打印不能實現(xiàn)高光潔度要求金屬零件表面的加工，打印件必須經(jīng)過進一步的表面后處理；對于復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的管路腔體，3D打印可以獲得成形但無法對其內(nèi)部進行機械加工，須與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式配合，使用3D打印生產(chǎn)模具和工具，再采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方式進行后續(xù)的精加工工序。

3）3D打印過程中金屬制成品存在制造成本高、成形件表面質(zhì)量欠佳等缺點，可以與傳統(tǒng)加工方法結(jié)合，發(fā)揮二者的優(yōu)勢，達到工具要求的精度和表面粗糙度，并且可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)工具的加工，這將是精密鉆井工具3D打印技術(shù)下一步發(fā)展的方向。

［1］孫聚杰.3D打印材料及研究熱點［J］.數(shù)字化技術(shù)，2013，12（2）：21-25.

［2］陳光霞，曾曉雁，王澤敏，等.選擇性激光熔化快速成型工藝研究［J］.機床與液壓，2010，38（1）：1-3.

［3］楊永強，劉洋，宋長輝.金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展［J］.機電工程技術(shù)，2013，42（5）：1-7.

［4］Amato K N.Microstructures and mechanical behavior of Inconel 718 fabricated by selective lasermelting ［J］.Acta Materialia，2012，60：2229-2239.

［5］Ramirez D A.Novel precipitate micro structural architecture developed in the fabrication of solid copper components by additive manufacturing using electron beammelting［J］.ActaMaterialia，2011（59）：4088-4099.

［6］胡孝昀，沈以赴，李子全，等.金屬粉末激光快速成形的工藝及材料成形性［J］.材料科學與工藝，2008，16 （3）：378-383.

［7］陳靜，張霜銀，薛蕾.激光快速成形Ti-6Al-4V合金力學性能［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36（3）：475-479.

［8］劉繼為.SolidWorks軟件在3D打印中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用研發(fā)，2012（11）：23-26.

［9］王宗彥.斷層數(shù)據(jù)三維重構(gòu)技術(shù)研究進程［J］.工程圖學學報，2002（3）：25-33.

［10］Vanden broucke.Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts ［J］.Rapid Prototyping Journal，2007（13）：196-203.

Experimental Study on Precision Drilling Tools Manufacture Based on 3D Printing Technology

CAO Jifei
（Drilling Technology Research Institute of Shengli Petroleum Engineering Co．，Sinopec，Dongying 257017，China）

Traditional manufacture process in precision drilling tools has complicated procedures，big waste of materials and low yield.3D printing technology can be used to accurately and rapidly manufacture the complex structure tools，and improve the development and manufacture level of new products.The paper demonstrated the technique feasibility of 3D printing technology using in the precision drilling tools manufacture and three-dimensional model of drilling tools.On these bases，the 3D printing technology scheme and completed the 3D printing manufacture and performance testing of two tools are established.In the last，the tendency of 3D printing technology was analyzed in this paper.

3D printing；precision tool；manufacture；research

TE928

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.017

1001-3482（2015）10-0068-04

①2015-04-26

曹繼飛（1986-），男，山東東營人，工程師，主要從事復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)服務(wù)與研究，E-mail：caojifeidrilling＠163. com。