基于3D 打印技術在露天采礦設備維修中的應用

石建國SHI Jian-guo

（國家能源準能集團公司設備維修中心，鄂爾多斯 010300）

0 引言

隨著科技的發展，越來越多的產品設計需要滿足特定使用場景或特殊機械的使用。尤其是在當某一特定零部件發生損壞時，若不進行及時零部件更換或機械的維修，很有可能會造成較大的經濟損失。而一些特殊的零部件往往無法找到較好的備用品，正常工業制造開模又容易造成較大的經濟浪費。因此就需要一種能夠及時、快速、便捷的制造方法來實現對一些個性化的個別零部件的設計和制造。3D 打印技術就是在這背景下產生的[1]。

3D 打印技術是一種基于數字模擬模型的三維材料堆積制造技術，其通過計算機技術進行數字建模與制造，將材料直接逐層堆積起來對物體進行實際建模構造，隨后通過切割和打磨等操作，將物體加工成滿足需求的個性化產品[2]。3D 打印技術能夠解決工業制造過程中，小部件開模貴等缺點，且制造時間短，物品精度高，能夠滿足零件的個性化要求設計。本文以工作室利用3D 打印技術在露天采礦設備中的維修為實際例子，通過實際案例分析其在零部件和個性化零件上的優點。最后通過實際造價和機械使用情況，證明3D 打印技術是一種便捷、效率高且經濟性好的行之有效的技術。

1 3D 打印的原理與技術

1.1 3D 打印的原理

3D 打印技術是根據零部件的形狀，對其進行極小厚度的“積分”，使得每層疊加后成為整體的一個立體零件。

整個過程是通過三維建模軟件進行數據的編輯，隨后打印機根據建模內部的數據進行處理分析，使之輸出到打印驅動中，隨后打印驅動根據處理后的數據，對零部件進行一層一層的“澆筑”，最終形成一個整體構件。概括為“分層制造、逐層疊加”。這種工藝可以形象地叫做“增長法”。

1.2 3D 打印主要技術

在機械的加工和制造領域中，3D 打印有著較大的優勢。尤其是在對于形狀不規則、結構復雜、多層次的構件中，3D 打印均能較好地滿足其加工和制造的要求，從而達到降低成本和提高機械制造效率的目的。其中對于形狀復雜的多層次構件，其優勢是更加突出的。如圖1 所示的構件，3D 打印僅需在建模軟件中對構件進行實際尺寸建模，就可以對構件進行制造[3]。

圖1 3D 打印電動輪行星減速機配件

其主要打印技術有以下幾種：

①SLA 技術。光固化成型法（SLA）是用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構成一個三維實體。將原型從樹脂中取出后，進行最終固化，再經打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產品[4]，其打印機組件如圖2 所示。

圖2 工作室使用SLA600 型3D 打印機組件

SLA600 型打印機存在的問題，其缺陷零件如圖3。

圖3 使用SLA600 型3D 打印機存在缺陷零件

1）光敏樹脂材料對環境有一定要求；2）對刮刀水平調整要求較高；3）樹脂材料零件強度低于尼龍材料；4）打印完畢后零件去支撐和清洗費時。

②SLS 技術。選擇性激光燒結技術（SLS）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，層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數據處理、鋪粉、燒結以及后處理等。

整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均勻鋪上一層，計算機根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面。粉末完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統鋪上新粉。控制激光束再掃描燒結新層。如此循環往復，層層疊加，直到三維零件成型。最后，將未燒結的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。對于金屬粉末激光燒結，在燒結之前，整個工作臺被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結合。

與其它3D 打印機技術相比，SLS 最突出的優點在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結的粉末材料都可以作為SLS 的成型材料。目前，可成功進行SLS 成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復合粉末材料。由于SLS 成型材料品種多、用料節省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS 無需設計和制造復雜的支撐系統，所以SLS 的應用廣泛。

③PDM 技術。熔積成型（FDM）法，該方法使用絲狀材料為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度，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，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。成形材料：固體絲狀工程塑料；制件性能相當于工程塑料或蠟模；主要用于塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。

④LOM 技術。分層實體制造法（LOM），又稱層疊法成形，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。LOM 常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結構件或功能件。LOM 技術的優點是工作可靠，模型支撐性好、成本低、效率高；缺點是前、后處理費時費力，且不能制造中空結構件。成形材料主要是涂敷有熱敏膠的纖維紙；制件性能相當于高級木材；主要用途是快速制造新產品樣件、模型或鑄造用木模。

2 3D 打印技術在露采設備維修中的應用

2.1 技術主要程序分析

本文所述在露天采礦過程中，設備個別零部件時常會發現損壞，而重新采購或更換原廠部件，不僅時間采購過于長，而且從經濟性和現場工作效率耽誤上也較差。因此工作室采購了SLA600 型3D 打印機，從而能夠及時對現場需要更換的構件進行更換和機械維修，保證了現場開采的效率和實際的經濟性。

工作室光固化SLA 600 型3D 打印機，主要用于設備復雜結構元器件的修復及設備結構原理的教學培訓。該3D打印機以液態光敏樹脂為原料，通過專業技術人員使用的三維建模軟件、切片軟件進行所需比例建模，再根據三維模型進行3D 打印，最后使用光固化設備固化成型，其打印制作的3D 產品具有成型快、成本低、精度高、硬度強、實用性高等特點。其主要流程和控制系統結構如圖4 所示。

圖4 3D 打印工藝過程圖

2.2 實際運用

針對各類型進口設備老舊破損配件展開全面修復，降低生產成本，通過3D 打印技術將損壞的可代替零件進行精準建模打印制作，原零件與打印零件不僅形狀和硬度基本無差別，可直接應用于機器設備的使用和生產。不僅降低了生產成本也提高了檢修效率[4]。

3D 打印過程中的軟件系統主要由三維圖形軟件、處理軟件以及控制軟件部分組成。

通過對三維建模軟件中文件數據的讀取，對文件中可能存在的構件空隙、重疊等缺陷進行檢驗并處理，若問題較為復雜，無法在分層處理時進行修補，則需從最原始的三維模型開始，對參數進行修正從而重新打印[5]。

設計等比例縮小的某模型，采用三維建模軟件、3D 切片軟件，使用SLA 光固化3D 打印機進行打印制作，模擬卡車真實運行狀態，仿真制作卡車牽引系統、轉向系統、舉升和制動系統，并根據原車工作原理模擬出動態執行。重點突出發動機、主發、舉升轉向泵、電動輪。對部分進行局部剖，直觀了解其內部結構[6]。

本文根據3D 打印技術和實際案例進行分析，在進行采礦設備維修時，以電動輪和前仰角打印為例，對其三維建模邏輯程序的設置如圖5 所示。

圖5 系統軟件流程圖

三維建模設置后，打印控制軟件將會自動根據設置的參數對其進行細節部分的處理，其構件成型如圖6-圖7。

圖6 電動輪3D 打印實體

圖7 前羊角3D 打印實體

2.3 直接經濟效益分析

利用該3D 打印機，對卡車零件打印有駕駛室檔把、打印卡車接觸器底座、IGBT 門驅動、電動機敝熱風扇葉片等，截止目前，利用該3D 打印設備共創造直接經濟價值53 萬元。

2.4 間接效益分析

930 E 礦用卡車是露天煤礦開采的主要運輸設備，目前兩礦共有44 臺該類型設備，其額定載重為290 噸，由于設備的液壓系統和電氣系統均采用國外先進技術和檢修工作條件的限制，處理故障只能實車操作，嚴重制約著檢修作業人員能力的提升，從而影響設備的檢修效率。近年來，930E 卡車電氣系統和液壓系統故障較多，維修技術難度較大，針對這種狀況，采用3D 打印技術研制出了930E礦用卡車液壓執行模擬及全系統控制模型培訓設備。該設備由儀表顯示系統、液壓系統、舉升系統、轉向系統、故障分析系統組成，可以實時模擬930E 礦用卡車所有的控制系統。利用該培訓設備開展模擬駕駛和仿真檢修，可以避免因930E 停機而帶來的經濟損失。其次，現場教學存在一定安全隱患，利用該設備開展室內培訓，完全避免了意外的發生，并提升了檢修人員的專業技能水平，間接提高礦用卡車的出動率。

3 結論

本文主要分析3D 打印在露天采礦術設備維修和維護中的運用，分析了3D 打印的主要原理和技術，隨后對3D 打印技術在露天采礦術設備維修和維護中的主要程序和實際運用進行闡述，結合實例案例，通過實際案例分析其在零部件和個性化零件上的優點。最后通過實際造價和機械使用產生的直接經濟效益和間接效益進行分析，證明3D 打印技術是一種便捷、效率高且經濟性好的行之有效的技術。