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  重塑人体器官、定制飞机配件、重建考古器物……在3D打印的世界里,不怕做不到,就怕想不到。3D打印技术如同童话故事里的神笔马良,靠着特殊的“笔”将画出来的东西变成实物。不同的是,马良的神笔只存在故事里,3D打印技术早已走进人们的生活中,潜移默化地改变着人们的生活方式。

  近年来,3D打印技术发展迅速,应用领域不断延伸,已经成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段。中商产业研究院发布的《中国3D打印行业市场前景及投资机会研究报告》显示,应用领域中机械行业占比达17.5%,其次为消费电子、汽车、航空航天和医疗。

  在国内油气行业,3D打印技术也发挥着越来越重要的作用。目前,一些公司已经开始将3D打印技术应用在零部件重构、增材制造工艺改进、特殊产品制造及教学宣传等方面,并且有望扩大到油气生产、油气田服务以及设备制造领域。

  优势

  高效、灵活、低成本,可以适应不同环境和需求

  “油气行业的特征决定了需要3D打印技术优势支撑。”长庆油田工会劳动经济女工部主管米顺林认为,一是油气行业的创新产品普遍为钢铁材质,笨重、不易携带,许多实物需要吊车、卡车装运。二是油气行业创新氛围浓厚,职工创新能力、计算机制图能力普遍提高,为3D打印技术在油气行业的普及推广建立了牢固的群众基础。

  大庆油田采油二厂第六作业区采油48队采油工班长、刘丽工作室负责人刘丽也表示,在创新研发初期,3D打印以高效、灵活、低成本占据着不可撼动的地位。因为它不像传统加工行业需要高技术操作人员及多种加工设备,也不需要传统的刀具、夹具、模具,通过3D打印机就可以直接打制出三维实物模型以供革新研发使用。因为3D打印是做加法运算立体成型,可以制造出采用传统方法制造不出来的、非常复杂的零件,有效地缩短了产品研发周期。一个产品通过3D打印能在数小时内成型,实现了从平面图到实体的飞跃,在大家的创新思维还没有冷却的时候,可以不断修改以到达最终的创新效果。

  3D打印技术在石油测井领域展现出了一些优势。中油测井制造公司经理马骁认为,较传统铣削设备的减材制造方式,3D打印增材制造材料成本相对较低,浪费极少。在高精度、高强度、高复杂度的测井仪器加工制造中,利用金属3D打印技术,可实现一台设备完成多道工序,解决了批量小、换产频的生产效率问题,还提升了产品性能。以微电阻率成像极板为例,通过模拟仿真研究,3D打印产品耐磨性能较传统加工方式提升6%。同时,3D打印技术可以高效制造传统手段不能或者很难制造的零部件,如仪器液压系统中的各种阀组、多油路模块等。

  “3D打印技术是传统机械加工手段的补充,能够实现产品的一次成型,对科研样机和复杂样件的制造具有立竿见影的优势,可以有效缩短石油测井仪器研发制造周期,帮助石油测井行业简化装备部件制造的复杂结构,避免长时间等待零件的现象等,在提效率、保质量、降成本方面显示出巨大潜力。”中油测井制造公司西安制造厂厂长王新峰说。

  挑战

  缺乏管控标准、设备易用性差,要求更新设计理念

  3D打印以其制造原理的优势成为具有巨大发展潜力的制造技术。油气企业要想成功采用3D打印技术必须克服许多挑战,技术问题仍然存在。

  刘丽坦言,油气行业管理制度和规定较为烦琐,3D打印技术作为新技术,其使用设备及材料在一般企业管理中不易被接受。且油气行业产品一般尺寸规模较大,对3D设备和现场机械零配件硬度强度要求较高。目前,3D打印技术在我国主要应用于新产品研发,制造精度尚不能令人满意。3D打印技术既然具有分布式生产的优点,那么相反,在规模化生产方面就不具备优势。现阶段3D打印技术尚不具备取代传统制造业的条件,在大批量、规模化制造等方面,传统减材制造法仍是主流。

  尤其是在测井领域,针对特殊材料的3D打印技术应用,仍需要继续摸索。比如石油测井仪器常用的硬质合金耐磨涂层,如何有效地使合金材料在仪器上烧蚀成功,并能保证其在井下高温高压环境的质量水平,这也是金属3D打印技术应用面临的挑战之一。同时,马骁表示,在3D打印技术标准化方面,油气行业还没有形成统一的3D增材制造质量控制标准体系。

  米顺林谈道,3D打印技术目前主要应用于初创设计阶段,在表达设计思路上有独特的优势,但是应用技术需要培养专业的设计师,熟练掌握3D制图,透彻理解3D打印的技术精要,运用3D打印思维进行设计。然而油气行业缺乏懂制图、会使用3D打印设备的复合型人才。另外,设备普及率低,主要是设备的易用性差。国内的3D打印生产商许多都是初创企业,利用开源技术来改进,没有创造出操作简便的用户交互系统,设备往往需要耗费时间调整参数。

  未来

  前景广阔,助力企业压缩成本、提高运营效率

  根据最新的《石油天然气3D打印——主题研究》报告,到2030年,3D打印市场的价值将超过600亿美元。3D打印技术已经成为推动工业生产力发展的关键技术之一。

  “从企业管理者角度来讲,关注的始终是产品的质量、效率、成本。3D打印技术怎么用、怎么发展,在行业内还没有统一意见。通过近年来中油测井产品制造验证,已经证明3D打印技术在油气行业是可行的,应用方向也比较明确,确实带来了生产效率、产品质量的有效提升。”马骁肯定了3D打印技术的价值,并对其未来发展充满期待。他认为,未来5到10年,随着3D打印技术发展成为主要制造技术之一,结合5G广泛应用,可以建立零件模型库云平台,帮助客户进行产品定制设计、实时仿真。厂家定制化快速生产和提供,实现零库存,将有助于企业提高运营效率,具有广阔的发展空间。

  米顺林认为3D打印技术对油气产品设计理念产生了影响。传统的产品设计是建立在工业革命以来所形成的大批量生产方式之上的,这意味着产品的差异性在设计过程中难以体现,3D打印技术使产品的个性化、少量化设计与生产成为可能。随着3D打印技术的发展与应用,产品的生产方式不再成为设计师想象力的束缚,外观再复杂的产品都能通过3D打印机打印出来,且浑然一体。3D打印可以现场制造所需配件,而不必停工拆解配件。比如钻机,只要有打印机和打印材料就能制造配件,3D打印一个部件只需6个至24个小时。

  总体来看,3D打印技术在油气行业大有可为,但要对油气行业产生深远影响,仍有很长的路要走。刘丽谈道,3D打印技术表面上看可以降低研发成本、加快研发进程。深入看,需要成果向生产的转化以及理论与实践的深入融合。3D打印技术的未来一定可以帮助油气行业解决很多问题,例如研发成果直接运用到现场、野外现场所需的机构复杂或购买周期长的零件都可以直接打印、在海上钻井平台上应用等。(雷蕾 徐佳 张云普 肖滋奇联合采访)

  成果展示

中油测井员工操作金属3D打印机器,打印微扫极板。胡彦峰 摄
大庆油田刘丽工作室员工展示应用3D技术打印的产品——“节能型上下可调式盘根盒”模型。刘野 摄
长庆油田数字化与信息中心应用3D打印机设计并制作了万向球结构无人机,获得了国家实用新型专利。(长庆油田数字化与信息中心 供图)
长庆油田新能源项目部应用3D打印机设计的合闸线圈保护器,荣获全国发明展览会银奖。(长庆油田数字化与信息中心 供图)

新闻链接

  什么是3D打印技术?

  3D打印技术是基于“离散/堆积成型”的成型思想,用层层加工的方法将成型材料“堆积”而形成实体零件,专业术语也称为“快速成型技术”或“叠加制造技术”。

  3D打印技术,或者说“离散/堆积成型”的成型技术,是20世纪80年代末至90年代初发展起来的先进的产品开发与快速加工制造技术,其核心是基于数字化的新型成型技术。它突破了传统的加工模式,不需机械加工设备即可快速地制造形状极为复杂的工件,被认为是近20年制造技术领域的一次重大突破。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型的制作、新设计思想的校验等提供了一种高效率、低成本的实现手段。

  一个完整的3D打印过程,首先是通过计算机辅助设计(CAD)或其他计算机软件辅助建模,然后将建成的三维模型“切片”(Slicing)成逐层的截面数据,生成打印机可识别的文件格式(通常为STL格式文件),并把这些信息传送到3D打印机上,3D打印机会根据切片数据文件的描述来控制机器将这些二维切片堆叠起来,直到一个固态物体成型。

  3D打印机与普通打印机的工作原理基本相同,打印材料却存在差异。普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有塑料、陶瓷、金属、砂等不同的“打印材料”,是确确实实的原材料。打印机与计算机连接后,通过计算机控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。

  参考书目:

  《3D打印:面向未来的制造技术》,杨继全、冯春梅编著,化学工业出版社

  《3D打印:原理、技术与应用》吕鉴涛编著,人民邮电出版社

企业案例

  中油测井3D打印促装备制造创新发展

  12月13日,中油测井西安自动化车间的3D打印设备舱里,激光束按程序设定的路径不间断地扫描着,熔化的金属粉末逐层叠加、凝固成型。26个小时后,第15批30支激光3D打印成型的网状薄壁结构外壳成功“出舱”。每个仅重几百克的网状结构件,包含了螺纹、网纹、镂空、汉字以及LOGO等多种元素,充分展示了公司精密零部件的制造水平,为下一步测井零件轻量化设计和加工提供了新的途径。

  作为智能制造的重要发展方向,激光3D打印是前沿增材制造技术,生产周期短、材料利用率高,特别适合传统方式难以加工的复杂精密结构件及个性化定制产品。

  近年来,油气勘探开发力度不断加大,耐高温高压、高精度、小直径的测井仪器需求量快速增长,但一些结构复杂、材料特殊、集成度高的关键部件,却因加工难度大、周期长而供不应求。测井装备迭代研发的加快,也对复杂结构件制造提出了更高要求。

  2015年,中油测井与西安交大、西北工业大学密切合作,开启了3D打印技术的探索之旅。“当初,我们专门设计了几种零部件,成型工艺、结构优化、变形控制等均由校方完成。”中油测井智能制造部负责人刘旭说,经高温高压测试,首批3D打印的试制品,性能指标完全符合井下恶劣工况测井要求。

  中油测井逐步掌握了金属、树脂、陶瓷等不同材料产品的建模技术、打印工艺、最佳预热时长等,并于2019年成功打印出沟槽种类多、形状不一、结构精巧的阵列感应测井仪线圈骨架。

  2020年初,公司引进了用于金属和非金属3D打印的激光选区熔化(SLM)和熔融沉积成型(FDM)设备,试制的第一项产品是电成像测井仪的极板。“这种核心部件只有巴掌大,但结构复杂。”测井技术研究院机械工程师郭英才说,极板要在几千米深的井筒中紧贴井壁工作,加工精度将直接影响测井成功率。

  技术人员结合极板加工余量大,成型过程中易出现开裂、局部变形等实际,在计算机上设计出产品3D数字模型,并按照设定厚度,用切片软件把模型文件分成几千个二维平面,同时,加强质量缺陷分析,优化三维模型,调整应力集中处结构,严控零件装夹误差,合理添加支撑提供反向拉力。

  2020年5月14日,经过16个小时连续打印,两块电成像测井仪极板一次成型,质量和性能均达到设计要求。

  插座挡条是全域侧向仪器中的一个绝缘件,体积小巧、形状不规则、加工工艺复杂。2020年6月,中油测井采用非金属3D打印技术,一次成型了4件插座挡条,成本仅为传统机加工的1/10。安装使用后,与侧向仪器上其他零部件严密吻合,性能优异。

  残余应力是金属3D打印面临的最大挑战,超大尺寸复杂结构件打印成型时,应力变形、开裂等问题更为突出。岩性密度测井仪探头长约800毫米、外径100毫米、重达80公斤,以往采用机加工生产时,涉及镗孔、深孔、车、铣等十几道工序,并且数控编程复杂。

  为满足测井作业需求,技术人员持续改进粉末成分、部件结构、支撑设计等。今年2月,经过20天不间断打印,一次性成功生产出3个高精度、高强度、高复杂度超大尺寸岩性密度测井仪探头,产品抗拉强度提高6%。

  目前,先进的激光3D打印技术,已成为中油测井高效快速仪器制造的一种重要方式。(记者陈青 通讯员王怡红 雷蕾)

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