淺談3D打印技術在天然氣公司維修系統中的應用及前景

曲鑫

（大慶油田有限責任公司天然氣分公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著科技的發展，3D打印技術越來越普及，目前已經大量轉為民用，它屬于快速成形技術的一種，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術（即“積層造形法”）。3D打印技術目前已經應用在模具制作、模型制作、金屬配件、建筑行業、醫療行業（比如髖關節或牙齒）等等。因此借此機會引用新技術、新科技，或將推進3D打印技術應用的持續發展。

1 3D打印技術分類

1.1 SLA技術3D打印機

SLA技術主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟模。

1.2 SLS技術3D打印機

Selective Laser Sintering選擇性激光燒結（以下簡稱 SLS）技術。選擇性激光燒結是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成型的固化層層疊加生成所需形狀的零件。

1.3 LOM技術3D打印機

分層實體制造法Laminated Object Manufacturing，LOM層疊法成形，它以片材（如紙片、塑料、薄膜或復合材料）為原材料。激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓線數據，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內外輪廓。切割完一層后，送料機構將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。

1.4 FDM技術3D打印機

熔 積 成 型（FDM—Fused Deposition Modeling）法,該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料,利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高1℃）,在計算機的控制下,噴頭作x-y平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。該技術污染小。

2 3D打印技術在壓縮機維修單位的應用

大慶油田天然氣分公司生產維修大隊承擔著天然氣分公司內部大型機組維修維護工作，由于大型機組的配件質量重、價格昂貴，在于培訓和教學過程中，難以使用實物，而3D打印技術可以將大型配件按照實際比例縮小，采用輕質PLA材質打印出來，可以重新配件的外形和組裝方式，有利于學員在學習理論的同時，增加實體物品的認知。應用3D技術制作機組配件模型存在以下幾個優點：

（1）熔積成型（FDM）3D打印機價格價格便宜，耗材相對其他3D打印技術便宜，每公斤耗材75元左右，對于一般性模型100mm*100mm成本在10元左右，相對外委脫模制作培訓教材，成本降低至10%至20%，適合單個塑料制品打印。

（2）隨時打印，隨時應用，可將需要打印物品進行測量，通過SolidWorks軟件繪畫后，使用切片軟件切片后便可脫機或在線打印，打印完畢后便可應用，并且可在原圖上隨時修改。

（3）PLA材質打印模型密度1.26g/cm3，十分方便運輸、展示、模擬組裝等工作。

（4）3D打印技術還可以對新設計工具、工裝等發明創造物品進行模擬，將設計工具打印出來測試其尺寸、功能、應用方式，測試后可進行修改，在進行機械加工制作，降低實驗性物件失敗造成的加工損失。

（5）通過對零部件打印，可實現對機組的整體組裝模擬，可以讓維修人員進行組裝訓練，熟練的掌握各部件作用、組裝順序，可實現理論培訓無法達到的效果。

3 3D打印技術實際應用嘗試

天然氣分公司生產維修大隊利用有限資源，對3D打印技術嘗試應用在培訓教學領域發揮作用，利用網絡采購熔積成型（FDM）3D打印機，學習相關繪圖及設計軟件的應用，已經對往復壓縮機氣閥和干氣密封各部件打印，以及組裝，螺紋上緊等實驗性工作。

3.1 往復壓縮機氣閥

往復壓縮機氣閥由閥座，升降限制器、閥片、緩沖墊、閥座、緊固螺栓組成。根據實際尺寸，繪制出每個零件。嘗試了使用PLA材質打印緊固螺栓，制作緊固螺栓，并取得成功。

圖1 3D打印氣閥及組裝組裝

3.2 干氣密封

干氣密封由兩級動換、兩級靜環、兩級靜環座、靜環座連接盤和鎖帽組成。依據實際尺寸打印零件后，使用M3、M2內六角螺栓進行緊固，達到組裝效果。

圖2 3D打印干氣密封及組裝

4 3D模具制作過程和注意事項

3D打印要通過測量、繪圖、切片、打印四個步驟，由于目前FDM使用材料熔化堆積成型，致使成品邊緣會有一定尺寸偏差，因此在各步驟要很多注意的方便否則打印成型后無法裝配和使用。

4.1 測繪

測繪對于整個打印過程屬于最關鍵步驟，需要對零件各點尺寸進行精細測量，由于打印機精度為0.1mm，因此測量精度也應在0.1mm左右，在測量時注意打印最低厚度不得低于3mm，否則打印效果不佳，由于是模型，可以在非裝配端放寬尺寸，將效果展現出來。

4.2 制圖

繪圖使用軟件可以為3DMAX、CAD三維圖、SolidWorks等，這里建議使用SolidWorks，因為該軟件使用方面，繪圖快捷，并且有工業配件庫查詢功能。繪圖要按照測繪尺寸真實繪畫，圖內尺寸不用按比例縮小。

每一個可拆卸配件單獨一個圖紙，便于打印后進行組裝，可以嘗試使用裝配功能進行組裝測試，便于復核測量尺寸已經放寬數據對裝配的影響。圖紙輸出要使用*.STL格式，便于切片軟件識別。

4.3 切片

切片軟件建議使用Repetier-Host，特點簡單實用，調節參數不復雜，可以實現常規打印需求，切片軟件可以實現圖紙放大縮小，將尺寸調整至適合打印機尺寸，并牢記比例系數，便于其他配件切片參照。因此建議先切片外尺寸最大的配件，避免因尺寸超出打印機范圍，導致無法打印。切片時要注意方向，盡量平面想先，弧形面平行于打印托板，避免打印機垂直方向下方空，致使需要設置支撐，含支撐面會很粗糙。填充率盡量選擇20%至40%之間，過低會造成打印塌陷，過多會造成浪費。需要螺紋連接處，要增加縫邊壁厚，增加螺紋附著力，避免螺栓脫扣，造成配件無法連接。

4.4 打印

打印機組裝要嚴格按照說明書進行，組裝后要使用水平儀，對打印機找水平，四角要牢固，避免打印過程中造成打印機移動。

通過U盤或者連接電腦在線打印的方式進行打印，打印前要測試打印，對打印溫度、材料出料、打印頭相對托盤間隙，各點間隙為A4紙剛好通過。打印托盤要使用加熱或涂抹固體膠便于模具取下。打印模式設置增加底部支架和支撐，增加模型周邊和底部支撐。

4.5 模型組裝

對模型進行組裝，首先連接件要對好螺栓孔，螺栓孔如果尺寸較低可以使用攻絲攻扣。配件如果配合不上，可以測量尺寸參照比例反倒圖紙尺寸核對實際尺寸，找到問題所在。打印組裝件，要有充分材料至少打印2次，提高模型成功率。

5 結語

3D打印技術不僅在設備維修方面可以得到應用，在各專業日常教學、培訓、練兵均可應用，例如工藝專業的塔罐容器內部結構、站廠立體流程圖等等，都能通過3D打印模型，產生更加直觀的培訓手段，大幅度對提高員工技能，增加培訓效果，因此建議在培訓和實驗工具領域使用該設備，進一步推廣新技術、新工藝手段在企業的應用。