3D打印技术在煤矿行业设备维修中的应用

马耀武

（大同煤矿集团有限责任公司四老沟矿，山西大同 037000）

0 引言

设备维修所采取的传统方法大多为事后维修，即事先将备件储存，等设备出现故障停止生产时，利用检修来明确故障所处位置，然后再将零部件进行更换。设备维修所采取的新型方法是事前维修，即通过将3D打印技术与故障在线监测系统相结合的方式，在设备产生故障停机前就找出发生故障的位置及受损零件，然后再由数字化模型库将发生故障的零部件的三维模型进行导出，运用3D打印技术进行加工[1]。

新型的维修方法可以确保矿井下各个生产设备的持续运行，利用在线监测系统，及时找出故障发生部位和受损零件，运用3D打印技术完成现场生产工作，并且随时可以停止更换零件，使煤矿的停产时间和生产成本得到极大降低，确保设备的持续运行。

1 煤矿设备维修现状

煤炭是中国的一种支柱性产业，推动了中国经济的发展。近些年来，随着国内对绿色环保能源的全力推广，以及市场供求量的不断提升，煤炭产业的销售量进入了低谷期，煤炭企业开始减少自身的生产成本。现阶段，在煤炭企业的生产中，维修机械所需的成本占据总成本的一大部分。为了避免因设备故障而出现停产现象，煤炭企业扩大了人力与物力的投资[2]。

（1）煤矿生产中需要较多类型的设备，但是数量较少，不能对其零部件进行批量生产，只能按需生产，生产成本过大。

（2）当设备的零件出现故障时，用户应当及时与厂商沟通后再下单，厂商在生产结束后，将零件运输到现场，这个过程需要很长的周期和较高的成本。

（3）为避免因设备突发故障而停产，煤矿企业会将易损坏的零件作为备用，这些零件需要特定的场所来进行保存，由专人实施管理，同时需要定期进行保养，且保养费用过高。此外，一些零件存放时间过长将会导致材料老化，影响正常生产。

目前，因国内所采用的设备维修方式主要为更换备用零件，因此，煤炭所储存的大量备用零件将会使其出现较多的资金积压，这对煤炭企业的发展造成了制约。针对这种状况，煤炭企业开始研发一种迅速加工零件的方法[3]。

近些年来，3D打印技术作为一种全新的加工方法，在多个行业中均取得了广泛应用。2013年，美国某个DIY爱好者通过运用该技术制作出手枪，并成功试射，引起了国际上各个国家的重视，美国的科学家将该技术看做是“第三次工业革命的标志”。由此可知，在日后设备的加工及维修领域，该技术具有十分广阔的发展前景。

2 3D打印技术工作原理及现状

3D打印机，别名“三维打印机”，是一种堆积加工技术，即可以迅速成形技术的一种生产设备，是基于数字模型，利用一些可黏合性的材料，经过反复堆积加工成三维物体[4]。现阶段，国内最常运用的3D成型技术主要有以下几种。

（1）熔积成形，其原理是利用高温将丝材进行融化，并使其成形。

（2）激光烧结成形，主要利用激光照射将粉状材料烧结成形。

（3）分层实体成形，主要将每一层的材料加以切割，使尺寸之内的材料成形。

（4）光固化成形，主要利用激光照射将液态资料进行固化成形。

3 3D打印技术特点

随着智能技术的不断发展，3D打印技术的速度与精度也得到了极大提升，材料由以往的塑料升级为金属、陶瓷等，设备的加工成本也在不断降低，在生产加工领域中的优势越来越明显。

（1）加工成本低

3D打印技术的适用范围主要为单个或小批量零部件的加工生产，对类型繁多、数量过少的煤矿设备维修具有十分重要的作用。煤矿设备大多庞大而沉重，加工数量较少，在后期的维修中不能依靠生产线上批量生产的零件，只能运用零散加工的方式来生产备件，导致生产成本较高、周期较长、库存量较大。3D打印技术的兴起转变了原有的零部件加工方式，彻底改变了原有的加工思想，对类型繁多的煤矿生产设备维修具备十分重要的作用[5]。

（2）生产周期短

通过将3D打印技术与零部件的数字化模型相结合，使产品加工的时间、周期得到极大缩短，煤矿设备的维修效率得到极大提升，同时避免了因设备维修所导致的停产损失。同时，3D打印技术可以基于零部件的模型来进行改善，极大提升了零部件的使用时间和可靠性。

（3）加工工序简单

与传统的加工方式相比，3D打印技术可以一次成型，不需要利用机械设备，只需要构建数字化模型，这种方式极大缩短了零部件的加工时间，提高了生产效率[6]。

（4）加工过程产生废料少

传统的加工形式是通过去除零部件的原料来进行加工，去除不需要运用的部位原料，形成了较多的废料。3D打印技术所采用的方式是添加原料，极大避免了材料浪费，提高了材料的使用效率，因此具有较高的经济价值。

4 3D打印技术在煤矿行业的应用

随着3D打印技术的深入发展，这种加工形式已不再停滞于试验研究阶段，而被广泛应用于社会各个领域中，在煤矿企业的设备维修中也有重要意义。该方式在设备维修中所发挥的优势是不需要使用机械设备和模具，可以直接依据三维模型来加工制作各种类型的零部件，极大减少了加工的时间和成本，提高了生产效率[7]。3D打印机构建的三维模型如图1所示。

图1 锥齿轮模型图与斜齿轮模型图

在矿井下运用3D打印技术，不仅可以迅速实现零部件的加工，而且精简了加工过程中的下单过程。通过开展相应的检测，可以迅速确定设备的故障类型及产生故障的零部件，之后再明确相应的参数，运用计算机技术来为发生故障的零部件构建数字化模型，利用3D打印技术来进行生产，其过程如图2所示。

图2 煤矿设备维修中3D打印技术的应用

这种方式可以减少加工周期和成本，提高故障设备的维修效率，有效避免了因个别零部件出现故障而影响设备运行，导致其他零部件受到破坏。

3D打印机是以塑料为原材料来加工皮带机的支架模型，该模型所具有的各个参数都满足设备要求，加工程序较为简单、时间较短。

5 3D打印技术在其他行业的应用

英国航空航天系统公司利用3D打印金属零件制造的第一部战斗机已经试飞成功，飞机上所运用的3D打印部件主要包含了起落架防护装置、驾驶舱无线电防护罩和进气口支架。一些零部件的成本还不足100英镑，极大降低了飞机的零部件成本。针对3D打印钛合金机身及发动机挂架构件的供应问题，空客公司与美铝公司达成了一致协议。美国海军运用3D打印技术加工了相应的舰艇部件，希望以此来提高任务的执行速度，并减少生产成本。

由此可知，作为一种全新的加工技术，3D打印技术在军事及航空领域中已取得广泛应用，日后，该技术将成为全球加工零部件的技术[8]。

6 结束语

3D打印技术的深入应用将会为中国煤炭企业生产设备的维修发展提供一个有效的平台，完善现阶段设备维修的不足，减少备件加工周期和成本，提高生产效率。为了推动煤炭企业的持续发展，应当与其他技术相结合，加快3D打印技术的发展速度，推动煤炭行业的持续发展。