3D打印技术在煤矿机械中的应用研究
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作者:米陇峰
摘 要：3D打印技术作为先进制造技术的代表，是推动煤矿机械制造智能化的重要手段，其在未来的煤矿机械制造中终将发挥更重要的作用，将为煤炭行业的发展提供技术支撑。本文详细介绍了3D打印技术的原理及主要技术手段，分析了其应用于煤矿机械的优势与不足，阐述了3D打印技术在煤矿机械制造领域中的应用并展望了其在煤矿机械领域的应用前景。
关键词：3D打印技术;煤矿机械;机械制造;智能化
中图分类号：TD712 文献标识码：B
Abstract：As a representative of advanced manufacturing technology，3D printing technology is an important means to promote the intelligentization of coal mining machinery manufacturing.It will eventually play a more important role in the future of coal mining machinery manufacturing and will provide technical support for the development of the coal industry.This paper introduces the principles and main technical methods of 3D printing technology in detail，analyzes its advantages and disadvantages in coal mining machinery，elaborates the application of 3D printing technology in the field of coal mining machinery manufacturing，and forecasts its application prospects in the field of coal mining machinery.
Key words：3D printing technology;Coal mine machinery;Machine manufacturing
煤炭是可以清洁高效利用的最经济、安全的能源，煤矿机械制造在我国有着举足轻重的作用。我国煤机装备中低端产品过剩，高端高可靠性产品紧缺，核心竞争力与创新能力不足，一些关键元部件仍需从外国进口。新一轮产业革命的背景下，我国煤机装备更需在产品可靠性、智能化等方面不断创新，以智能制造助推我国煤机装备产业与技术走向国际发展的高地[1]。
在新一轮的工业革命浪潮下，3D打印作为先进制造技术的代表正在逐步崭露头角，英国石油公司将3D打印列为未来几年将显著影响能源行业的六项技术之一（其余五项为人工智能、区块链、自动驾驶和替代能源）。该项技术将可透过互联网信息技术平台，和物联网、大数据、智能材料等众多先进技术紧密融合，实现智能化制造，改变人类的生产方式和生活方式。3D打印技术相对于传统加工技术的巨大优势，将3D打印技术应用到煤矿机械的研发生产制造当中，与我国煤矿机械智能化的发展趋势完全一致，为我国制造业的发展和升级带来重大机遇。
1 3D打印技术原理
3D打印技术是通过CAD设计数据并采用材料逐层累加的方法制造实体零件技术，相对于传统的减材制造（切削加工）和等材制造（镦锻等）技术，是一种“自下而上”的材料累加制造方法。这种加工过程是一种先离散然后进行堆积的成形过程，可分为前期数据处理（离散）和物理实现（堆积）过程。在离散过程中，将三维形体的CAD模型沿一定方向分解，得到每层截面切片数据，各种成形工艺根据各自具体的工艺要求，获得控制成形头运动的轨迹;在堆积成型过程中，成形头在运动轨迹的控制下加工出层片，并与已成型部分的层片堆积并连接。两个过程循环往复，直到整个零件加工完毕[2-5]。
根据成型工艺与原材料的不同，3D打印技术主要技术手段为：
（1）光固化成形：最早出现的快速原型制造工艺，多以光敏树脂为原料，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面使其固化成型;
（2）激光烧结成型：以激光为热源对粉末压坯进行烧结成型，可实现高熔点金属和陶瓷的黏结，对常规烧结炉不易完成的烧结材料，此技术优势明显;
（3）分层实体成型：以薄片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料等）为原材料，通过薄片材进行层叠加与激光切割，留下尺寸内材料成型。该方法制造成本低，但较为浪费材料，且仅限于结构简单的零件成型;
（4）熔积成型：将丝材（一般为非金属工程塑料或低熔点金属）通过高温融化堆积成型，成型效率高，但精度略低;
（5）电子束成型：在高度真空的打印腔中采用电子束来完成对金属粉末的熔融成型，对于易氧化或易和空气中某些元素进行反应的金属（比如钛金属），此技术优势明显。
2 3D打印技术应用于煤矿机械的优势与不足
2.1 3D打印技术应用于煤矿机械的优势
第一，易实现个性化定制，尤其对于小批量、难加工零部件有利于缩短产品设计和生产周期，其优势明显;第二，易于实现再制造，特别是用于产品的修复再造环节，利于节约成本;第三，助力实现智能化，能将物联网、大数据、智能材料等众多先进技术紧密融合，智能化控制制造过程，实现机器换人;第四，改变煤矿机械领域某些特定关键零部件使用传统制造方法难以加工的现状，为此类难加工零件加工提供新的解决思路和途径。
2.2 3D打印技術应用于煤矿机械的不足
第一，3D打印技术其自身工艺和材料还有待继续发展，相比于传统的等材和减材制造方法，3D打印的能适用材料单一，要求较为苛刻严格，3D打印成型件的抗拉压屈曲性能、抗剪性、结构稳定性、表面硬度等综合力学性能及表面粗糙度、尺寸精度等都相对较差[6];第二，对大批量零部件生产适应性不强，现阶段的3D打印更多是为了满足个性化生产需求，材料和工艺的专用性较强，加工效率相对较低，无法实现规模化生产;第三，零部件的制造成本居高不下，尽管3D打印减少了切削、成型等方面的制造成本，却增加了软件、设计后处理以及材料等环节的成本。 3 3D打印技术在煤矿机械中的应用
3.1 煤矿机械修复
3D打印技术在煤矿设备维修领域拥有巨大的市场和未来发展潜力。其在煤矿设备维修中的优点是不需要机械加工设备和模具，利用计算机信息技术对故障零部件进行数字化建模及切片处理，直接根据三维数据模型现场加工故障零部件。甚至应用3D打印方式可在煤矿井下现场快速加工完成作业，省略了正常加工过程中的下单、加工过程及零部件运输环节。对于某些在特定零部件，3D打印应用于煤矿机械修复不仅仅是简单的修补，而是可起到零件表面增强效果。如激光成形修复技术解决了传统激光熔敷技术在成形方面的缺陷和不足，综合了三维成形与表面强化技术的特长，同时能够实现多材料的复合制造，利用Fe基、Co基、Ni基等可熔金属作为粘接剂，并入TiC、ZrO2、SiC、Al2O3等陶瓷材料作为增强相修补至易磨损部位，使得零件表面的耐磨性、硬度等性能得到大幅提升，适合用于解决选矿机械的受损修复问题[7]。
3D打印技术应用于煤矿机械修复既缩短加工周期、降低生产成本，提高了设备故障维修效率，也能有效地防止单个零部件故障导致的设备异常运行造成其余零部件的损坏失效问题。目前，其典型应用主要有以下几个方面：
（1）刮板运输机链轮修复。链轮属于煤矿井下刮板输送机的重要零部件，为解决链窝和齿侧壁等的尺寸超差、磨损严重等问题，辽宁工程技术大学翟建华等人运用了金属3D打印技术成功对矿刮板运输机的链轮进行了修复，3D打印的链輪的整体成型效果已与标准链轮相一致，能够达到预期的设计要求[8]。
（2）乳化液泵站修复。乳化液泵在采煤工作面开采过程中为液压支架提供乳化液，同时也为其他煤矿液压设备提供动力源，容易发生滑道孔磨损、刮伤、灼烧和破损以及轴承孔变形、磨损、划伤等情况。神东煤炭集团乔永军利用激光立体成型技术（LSF）对划伤、磨损的乳化液泵站壳体进行了修复，修复后的乳化液泵站壳体的各项技术指标达到使用要求，修复的成功率也有所提高，减少了零件的报废率[9]。
（3）液压支架修复。煤矿井下液压支架出井后，立柱柱塞表面往往会出现镀铬面锈蚀、机械性损伤、镀铬层脱落等问题。大同煤矿集团有限责任公司张超等人对液压支架立柱柱塞表面经过激光增材制造工艺加工后，其表面光洁如新，耐磨损和耐腐蚀性能都明显优于电镀层[10]。
3.2 煤矿机械产品的快速研发与直接制造
3D打印技术用于煤矿机械产品的快速研发与直接制造，可直接使用基于煤矿机械产品模型数字化定义的数据进行制造，突破了传统制造方式从产品的三维设计模型再到二维加工图纸再到制造工艺文件过程中信息传递链条的断裂，尤其是对于需要开模加工或者加工试制工序特别繁杂的零部件，很好的保证了产品的研制及生产的质量和效率。
中煤科工集团西安研究院李锁志成功将SLA成型工艺应用于基础模具加工，配合现有软模成型工艺，加工钻头基础模具用于煤矿井下用的钻头制造，改进了传统模具加工工艺，采用3D打印技术制作模具缩短了新产品研发周期，实现了复杂结构及唇面形状的PDC钻头高效研发，保证了煤矿井下用钻头的使用寿命和效率[11]。韩斌慧等人对某型号采掘机械用液压阀块中的密封纸垫冲孔加工采用的进口冲头国产化过程中，针对零件尺寸小、刃口部位薄弱等难题以及较高的冲切强度和耐磨性的要求，反复尝试了多种制造方案，最终采用3D打印方式制造出内孔为1mm及以上的掘进机密封垫冲头以替代国外进口件，达到了普通传统机械加工难以满足的制造精度，且具备优良的耐用性能[12]。冀中能源峰峰集团天择公司将3D打印技术应用在无模铸型制造技术上，代替传统的木模和砂型制作，通过专业设备直接将铸造型腔打印出来，从而研制成功了具有国内领先水平的3D打印滚轮罐耳轮毂，其铝合金材质具有重量轻、强度高、耐腐蚀等特点，在不增加滚轮罐耳成本的前提下，大幅延长了使用寿命。张绍和等人利用选择性激光烧结技术、选择性激光熔化和光固化技术制造金刚石钻头、金刚石锯片、金刚石砂轮等工具，大大减轻金刚石颗粒的热损伤，获得了理想的试验效果[13]。
3.3 煤矿机械产品模型验证与检测
机械产品从设计到验证有时会面临费时费力或成本过高问题，特别是在煤矿井下作业工况恶劣的场景。3D打印技术目前已经应用到煤矿机械产品模型验证与检测，为煤矿产品的快速验证提供了可能。
河南理工大学刘宝等人利用3D打印技术建立了煤矿井下综采工作面高压电缆绕“8”字减扭收卷装置实体模型，利用熔融沉积快速成型技术通过模型试验，验证了装置运行满足设计要求[14]。西南石油大学冷静等人基于3D打印技术对复合钻头进行了制造方法研究，根据打印出来的复合钻头模具在实际检测中的校准与测试可以在钻头模型设计软件中中及时更改和修正钻头设计数据文件，从而缩短钻头加工设计周期[15]。华北科技学院胡德志等人将3D打印技术用于采区巷道系统性能的整体研究，减少了系统的不确定性因素，提升了设计系统的安全系数，实现防范瓦斯爆炸、改进矿井的通风效果和优化系统结构模型得到快速验证，使矿山开采规划更加科学化[16]。
4 3D打印技术在煤矿机械中的应用展望
由于成本、效率及自身技术发展等因素的制约，目前3D打印技术在煤矿机械行业多用于维修领域，零部件的直接制造则处于尝试阶段，而多以采用工程材料进行原型件的设计和制造。笔者认为，结合煤矿机械行业的特点，3D打印技术未来可能将产生以下影响：
（1）在高端煤矿机械产品中应用越来越广泛，特别是针对某些高价值、难加工零部件的制造。3D打印技术能够制造在传统制造工艺下无法实现的复杂形状及特殊定制材料，例如针对矿区煤层气开发领域的特殊地层，为了提高破岩效率以及钻头的清洁和冷却效果，钻头的设计、加工将更为复杂，3D打印技术为这些功能的实现提供了可能;煤矿井下使用的泥浆泵活塞陶瓷缸套，未来使用3D打印的方式实现制造，提高活塞寿命。 （2）3D打印技术未来或将改变煤矿机械供应商的售后及供应模式。在传统的售后市场供应链上，一个关键的挑战是对备件库存的管理。而使用3D打印机按需制造替换零件的能力会改变售后服务的经济效益和产业结构，3D打印技术应用的实际影响可能更加深远。在偏远矿区，可使用3D打印技术制造替换零件，而不需从制造商处重新采购，这将有助于减少设备的等待时间;一些具备现场3D打印能力的小型设施可能会取代大型的地区性仓库，一些维修件的供应甚至可以外包，甚至小型加工厂可以根据矿方直接提供的数据现场制作设备所需的大部分零件，来满足矿方的不同需求，这种产业链布局未来将是对传统售后及供应模式的一种颠覆。
（3）随着技术的发展，3D打印技术将会充分发挥其优势，实现与传统制造工艺的共存融合、优势互补，对煤矿机械制造技术的促进作用愈加明显。当前随着定制化成为一个主导的生产模式，对3D打印的需求正在扩大。3D打印技术在煤矿机械领域的研发、产业化及应用推广，其应用价值将逐步追赶传统等材和减材制造方式，形成三足鼎立局面。3D打印技术与传统等材、减材制造技术的共存融合、优势互补将发挥巨大效益，助力煤礦机械行业的发展。
5 结语
虽然3D打印技术目前因存在一些技术和成本方面的问题，较多地应用于原型制造。但3D打印技术与传统的制造方式相比更加灵活多变，具有更加宽广的适用范围，随着煤矿行业各种特殊需求以及相关技术的发展对3D打印技术的不断推动，相信3D打印技术直接制造终端零部件在煤矿机械领域将很快成为可能，其在未来的煤矿机械制造中终将发挥更重要的作用，为煤炭行业的发展提供技术支撑。
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作者简介：米陇峰（1992-），男，汉族，陕西宝鸡人，硕士，工程师，现主要从事煤矿用钻探装备设计与制造的研究工作。
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