浅谈引入掌握激光3D打印增材技术驱动煤碳生产高效、高质、智能化保障能力提升

张博伟

【摘要】基于国家大力实施科技创新战略，3D打印增材制造技术被视为引领新一轮科技革命和产业变革的核心技术之一，目前处于快速发展的阶段。从技术上看，3D打印增材制造技术已经能够满足大部分工业应用场景需求;3D打印将与机器人、人工智能等技术一起，以更低的成本推动煤矿设备制造、维修向小批量、个性化转变，助推煤矿设备制造、维修迈上高质量发展的快车道。

【关键词】智能化;专业化;定制化

一、引言

2020年末，中国煤炭工业协会发布《煤炭工业“十四五”进一步发展指导意见》（征求意见稿），对未来五年煤炭行业优化产能结构，完善价格体系，行业规模发展等提出了一系列建议工作目标。“十四五”期间将延续“十三五”的节奏，深化煤炭行业供给侧结构性改革仍是主要的发展思路。具体在实施层面的 “五化”（智能化、专业化、定制化、集群化以及绿色化）将成为发展的重中之重。黄陵矿业公司适时提出建设智慧矿山的号召，机电公司紧紧围绕智慧矿山建设的核心，树立技术提升驱动智慧矿山建设的理念，定位于煤炭生产高效、高质、智能化保障能力提升，确保矿业公司全年设备安全、连续、准确、可靠运行，着力打造智慧机电公司。

为夯实智慧机电基础，公司团队经大量调研，寻找行业内领先企业对标学习，重点学习“三维建模 - 过程仿真 - 成形制造 - 性能验证”的全流程、系列化、模块化软硬件的工艺技术路线，结合材料数据库及工艺数据库的建立，探索增材制造相关技术在智慧矿山应用的综合解决方案。

二、增材制造（俗称3D打印）技术简介

增材制造融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品。作为具有代表性的前沿技术之一，3D打印可以为快速精确的个性化制造提供高效的解决方案，正在迅速成为“智能生产”的关键方式和重要工具，在一定程度上改变了传统制造业的发展模式，并推动着传统制造业加快向着智能化方向转变。

三、新型增材技术对煤矿设备维修产业快速进步的推动

煤机设备主要的易损件有液压支柱、液压缸、摇臂、壳体等部件，传统修复方法主要有焊修、电镀、喷涂与噴焊等方法，以上方法具有修复质量不高、易形成缺陷、脱落等问题，因此寻求新的高质量修复方法成为提升修复技术能力的关键因素。增材制造的引入，将为煤机行业注入新的发展动能。主要通过以下几方面作为重点方向开展实施：

1.先进的工艺方法

基于增材制造技术拥有多种细分技术，以高速激光熔覆为例，相较于传统的喷涂、电镀等制备方法，具有冶金质量高、稀释率低、变形小、表面光洁度高等优势，可显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性，属于先进环保的表面处理加工技术。单层熔附厚度可控制在单边0.2㎜，在工业制造领域能极大地减少后续机加工成本;可以通过对熔粉的控制，取得可控的表面硬度及更好的耐磨性和耐腐蚀性;有效的熔池冶金结合，可以取得相对更高的机体附着力;可以通过快速多层熔附，降低工件本体受热且使工件熔附受热快速均衡发散，从而保障工件受热变形可控;综合测算能有效延长产品使用寿命3-5倍，为企业节省大量维修费用。因此开展新工艺的学习与应用将为集团技术精进、成本节约带来新的机会。

2.应急保障与快速响应

面对煤炭行业设备维修维护紧急程度高、效率与质量要求高等要求，传统制造无法满足高质量、高效率敏捷制造的特点，激光制造与增材制造技术的应用可大幅减少产品修复周期、压缩生产流程、提高产品质量。

例如，在三机一架长期恶劣条件下使用由于盐雾、磨损等工况对关键部件长期使用具有较大影响，易造成设备失效而需要紧急修复。传统修复需拆机后，对失效部件进行测量，绘图，机加工，外协后处理等，单个件修复周期通常要20-40天，采用逆向技术结合增材制造，有望在3-5天内完成修复，修复周期可提升5-10倍，该技术利用非接触式三维扫描仪，对缺损零件进行快速扫描后，反求其三维数字模型，再与原始数字模型进行对比求差，得到缺损部位的数字模型，然后使用RC-CAM软件对该数字模型进行分层路径规划，导出机器人工作路径，最后建立加工坐标系，由机器人完成同轴送粉增材修复。

3.智能在线检测、监测、控制

根据需要，可对目前现有设备进行升级，装备可配置装备自检测及自诊断系统，对激光增材加工过程中的关键参数进行监控。如激光熔池、功率、速度、粉量等，可实现实时状态监测、智能在线预警并为设备自保护提供数据支持，为设备维护保养提供预警信息，可实现关键数据的存储，为管理者提供质量评测依据。此项技术为产品的数字化、制造智能化、网络协同化、管理智慧化提供基础。

4.全面的质量管控标准

在产品生产过程中的质量管控，主要依据ISO9001质量管理体系认证、ISO14001环境管理体系。在材料、工艺、装备、质量、服务、成本等方面全面实施管理。建有数据综合处理中心，所有生产相关资料数据化输入共享，做到所有核心指标有测量、有依据，真正实现高效、高质量生产。

5.卓越的企业文化，客户至上的服务理念

强调企业文化的卓越与完美，全体员工共同努力，不断超越自我，改善心智模式，创建高智能学习型组织。“追求卓越、创造完美”强调企业要终生学习，要“苟日新、又日新、日日新”。随处可见的三法则“所有的员工以服务煤矿为中心长期保持创业和创新激情，正面思考冲突，积极解决问题”。在这样的文化体制下，员工为煤矿服务是企业不断发展、获得成功的基础，作为现代化企业，不仅建立了一切为了煤矿服务的经营理念，也强调公司内部互为客户的服务观念。针对煤矿以及公司内部协作部门的需求，均以良好的态度，正确认识、用心领会，高质、高效完成工作，全力解决。这样的理念与文化也促进了企业高速发展。

四、启示与思考

他山之石，可以攻玉。引入掌握先进的经验给我们启发和思考，也激励着我们奋楫争先。取其精华，消化吸收，内化为促进自身发展的强大动力。

1.解放思想，拓展思维

增材制造技术背后的增材思维是一场设计的革命，它完全打开了设计枷锁，基于增材思维的先进制造技术体系正是中国制造业转型升级的重要机会。打破思维定势、释放设计自由度和激发创造力的革命，进一步拓展增材思维，探索创新方法，将使我们有可能换道超车。

2.把握机遇，快速抢占未来激光与增材制造在煤机产业应用的制高点

增材制造作为新型的制造技术，近年来创新技术迭代速度显著提升，目前在煤机行业的应用还处于起步阶段，因此我集团在十四五期间紧跟潮流，迎头赶上，加快增材制造技术在煤炭行业的产业示范，成为行业领头羊。

3.有的放矢，制定切实可行的发展方案

未来公司将积极与高科技企业进行长期深入的技术合作，将最新的技术在本公司产品上得以试用与应用，力争在一年内联合培养一批专业技术人才，三年内共同开展工艺技术、装备技术、智能化技术、大数据技术等先进技术与智慧矿山的融合，共同促进提升，为我国煤机维修产业快速发展注入新动能！

参考文献：

[1][美]胡迪·利普森，梅尔芭·库曼.3D 打印：从想象到现实[M].赛迪研究院专家组，译.北京：中信出版社，2013 年第 l 版

[2] 吴怀宇.3D 打印：三维智能数字化创造[M] .电子工业出版社，2014（1）

[3]杨振贤，张磊，樊彬.3D打印：从全面了解到亲手制作[M].北京：化学工业出版社，2015（5）