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            重塑人體器官、定制飛機配件、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打印技術如同童話故事里的神筆馬良,靠著特殊的“筆”將畫出來的東西變成實物。不同的是,馬良的神筆只存在故事里,3D打印技術早已走進人們的生活中,潛移默化地改變著人們的生活方式。

            近年來,3D打印技術發展迅速,應用領域不斷延伸,已經成為現代模型、模具和零部件制造的有效手段。中商產業研究院發布的《中國3D打印行業市場前景及投資機會研究報告》顯示,應用領域中機械行業占比達17.5%,其次為消費電子、汽車、航空航天和醫療。

            在國內油氣行業,3D打印技術也發揮著越來越重要的作用。目前,一些公司已經開始將3D打印技術應用在零部件重構、增材制造工藝改進、特殊產品制造及教學宣傳等方面,并且有望擴大到油氣生產、油氣田服務以及設備制造領域。

            優勢

            高效、靈活、低成本,可以適應不同環境和需求

            “油氣行業的特征決定了需要3D打印技術優勢支撐。”長慶油田工會勞動經濟女工部主管米順林認為,一是油氣行業的創新產品普遍為鋼鐵材質,笨重、不易攜帶,許多實物需要吊車、卡車裝運。二是油氣行業創新氛圍濃厚,職工創新能力、計算機制圖能力普遍提高,為3D打印技術在油氣行業的普及推廣建立了牢固的群眾基礎。

            大慶油田采油二廠第六作業區采油48隊采油工班長、劉麗工作室負責人劉麗也表示,在創新研發初期,3D打印以高效、靈活、低成本占據著不可撼動的地位。因為它不像傳統加工行業需要高技術操作人員及多種加工設備,也不需要傳統的刀具、夾具、模具,通過3D打印機就可以直接打制出三維實物模型以供革新研發使用。因為3D打印是做加法運算立體成型,可以制造出采用傳統方法制造不出來的、非常復雜的零件,有效地縮短了產品研發周期。一個產品通過3D打印能在數小時內成型,實現了從平面圖到實體的飛躍,在大家的創新思維還沒有冷卻的時候,可以不斷修改以到達最終的創新效果。

            3D打印技術在石油測井領域展現出了一些優勢。中油測井制造公司經理馬驍認為,較傳統銑削設備的減材制造方式,3D打印增材制造材料成本相對較低,浪費極少。在高精度、高強度、高復雜度的測井儀器加工制造中,利用金屬3D打印技術,可實現一臺設備完成多道工序,解決了批量小、換產頻的生產效率問題,還提升了產品性能。以微電阻率成像極板為例,通過模擬仿真研究,3D打印產品耐磨性能較傳統加工方式提升6%。同時,3D打印技術可以高效制造傳統手段不能或者很難制造的零部件,如儀器液壓系統中的各種閥組、多油路模塊等。

            “3D打印技術是傳統機械加工手段的補充,能夠實現產品的一次成型,對科研樣機和復雜樣件的制造具有立竿見影的優勢,可以有效縮短石油測井儀器研發制造周期,幫助石油測井行業簡化裝備部件制造的復雜結構,避免長時間等待零件的現象等,在提效率、保質量、降成本方面顯示出巨大潛力。”中油測井制造公司西安制造廠廠長王新峰說。

            挑戰

            缺乏管控標準、設備易用性差,要求更新設計理念

            3D打印以其制造原理的優勢成為具有巨大發展潛力的制造技術。油氣企業要想成功采用3D打印技術必須克服許多挑戰,技術問題仍然存在。

            劉麗坦言,油氣行業管理制度和規定較為煩瑣,3D打印技術作為新技術,其使用設備及材料在一般企業管理中不易被接受。且油氣行業產品一般尺寸規模較大,對3D設備和現場機械零配件硬度強度要求較高。目前,3D打印技術在我國主要應用于新產品研發,制造精度尚不能令人滿意。3D打印技術既然具有分布式生產的優點,那么相反,在規;a方面就不具備優勢,F階段3D打印技術尚不具備取代傳統制造業的條件,在大批量、規;圃斓确矫,傳統減材制造法仍是主流。

            尤其是在測井領域,針對特殊材料的3D打印技術應用,仍需要繼續摸索。比如石油測井儀器常用的硬質合金耐磨涂層,如何有效地使合金材料在儀器上燒蝕成功,并能保證其在井下高溫高壓環境的質量水平,這也是金屬3D打印技術應用面臨的挑戰之一。同時,馬驍表示,在3D打印技術標準化方面,油氣行業還沒有形成統一的3D增材制造質量控制標準體系。

            米順林談道,3D打印技術目前主要應用于初創設計階段,在表達設計思路上有獨特的優勢,但是應用技術需要培養專業的設計師,熟練掌握3D制圖,透徹理解3D打印的技術精要,運用3D打印思維進行設計。然而油氣行業缺乏懂制圖、會使用3D打印設備的復合型人才。另外,設備普及率低,主要是設備的易用性差。國內的3D打印生產商許多都是初創企業,利用開源技術來改進,沒有創造出操作簡便的用戶交互系統,設備往往需要耗費時間調整參數。

            未來

            前景廣闊,助力企業壓縮成本、提高運營效率

            根據最新的《石油天然氣3D打印——主題研究》報告,到2030年,3D打印市場的價值將超過600億美元。3D打印技術已經成為推動工業生產力發展的關鍵技術之一。

            “從企業管理者角度來講,關注的始終是產品的質量、效率、成本。3D打印技術怎么用、怎么發展,在行業內還沒有統一意見。通過近年來中油測井產品制造驗證,已經證明3D打印技術在油氣行業是可行的,應用方向也比較明確,確實帶來了生產效率、產品質量的有效提升。”馬驍肯定了3D打印技術的價值,并對其未來發展充滿期待。他認為,未來5到10年,隨著3D打印技術發展成為主要制造技術之一,結合5G廣泛應用,可以建立零件模型庫云平臺,幫助客戶進行產品定制設計、實時仿真。廠家定制化快速生產和提供,實現零庫存,將有助于企業提高運營效率,具有廣闊的發展空間。

            米順林認為3D打印技術對油氣產品設計理念產生了影響。傳統的產品設計是建立在工業革命以來所形成的大批量生產方式之上的,這意味著產品的差異性在設計過程中難以體現,3D打印技術使產品的個性化、少量化設計與生產成為可能。隨著3D打印技術的發展與應用,產品的生產方式不再成為設計師想象力的束縛,外觀再復雜的產品都能通過3D打印機打印出來,且渾然一體。3D打印可以現場制造所需配件,而不必停工拆解配件。比如鉆機,只要有打印機和打印材料就能制造配件,3D打印一個部件只需6個至24個小時。

            總體來看,3D打印技術在油氣行業大有可為,但要對油氣行業產生深遠影響,仍有很長的路要走。劉麗談道,3D打印技術表面上看可以降低研發成本、加快研發進程。深入看,需要成果向生產的轉化以及理論與實踐的深入融合。3D打印技術的未來一定可以幫助油氣行業解決很多問題,例如研發成果直接運用到現場、野外現場所需的機構復雜或購買周期長的零件都可以直接打印、在海上鉆井平臺上應用等。(雷蕾 徐佳 張云普 肖滋奇聯合采訪)

            成果展示

          中油測井員工操作金屬3D打印機器,打印微掃極板。胡彥峰 攝
          大慶油田劉麗工作室員工展示應用3D技術打印的產品——“節能型上下可調式盤根盒”模型。劉野 攝
          長慶油田數字化與信息中心應用3D打印機設計并制作了萬向球結構無人機,獲得了國家實用新型專利。(長慶油田數字化與信息中心 供圖)
          長慶油田新能源項目部應用3D打印機設計的合閘線圈保護器,榮獲全國發明展覽會銀獎。(長慶油田數字化與信息中心 供圖)

          新聞鏈接

            什么是3D打印技術?

            3D打印技術是基于“離散/堆積成型”的成型思想,用層層加工的方法將成型材料“堆積”而形成實體零件,專業術語也稱為“快速成型技術”或“疊加制造技術”。

            3D打印技術,或者說“離散/堆積成型”的成型技術,是20世紀80年代末至90年代初發展起來的先進的產品開發與快速加工制造技術,其核心是基于數字化的新型成型技術。它突破了傳統的加工模式,不需機械加工設備即可快速地制造形狀極為復雜的工件,被認為是近20年制造技術領域的一次重大突破。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術于一身,可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件,從而為零件原型的制作、新設計思想的校驗等提供了一種高效率、低成本的實現手段。

            一個完整的3D打印過程,首先是通過計算機輔助設計(CAD)或其他計算機軟件輔助建模,然后將建成的三維模型“切片”(Slicing)成逐層的截面數據,生成打印機可識別的文件格式(通常為STL格式文件),并把這些信息傳送到3D打印機上,3D打印機會根據切片數據文件的描述來控制機器將這些二維切片堆疊起來,直到一個固態物體成型。

            3D打印機與普通打印機的工作原理基本相同,打印材料卻存在差異。普通打印機的打印材料是墨水和紙張,而3D打印機內裝有塑料、陶瓷、金屬、砂等不同的“打印材料”,是確確實實的原材料。打印機與計算機連接后,通過計算機控制可以把“打印材料”一層層疊加起來,最終把計算機上的藍圖變成實物。

            參考書目:

            《3D打。好嫦蛭磥淼闹圃旒夹g》,楊繼全、馮春梅編著,化學工業出版社

            《3D打。涸、技術與應用》呂鑒濤編著,人民郵電出版社

          企業案例

            中油測井3D打印促裝備制造創新發展

            12月13日,中油測井西安自動化車間的3D打印設備艙里,激光束按程序設定的路徑不間斷地掃描著,熔化的金屬粉末逐層疊加、凝固成型。26個小時后,第15批30支激光3D打印成型的網狀薄壁結構外殼成功“出艙”。每個僅重幾百克的網狀結構件,包含了螺紋、網紋、鏤空、漢字以及LOGO等多種元素,充分展示了公司精密零部件的制造水平,為下一步測井零件輕量化設計和加工提供了新的途徑。

            作為智能制造的重要發展方向,激光3D打印是前沿增材制造技術,生產周期短、材料利用率高,特別適合傳統方式難以加工的復雜精密結構件及個性化定制產品。

            近年來,油氣勘探開發力度不斷加大,耐高溫高壓、高精度、小直徑的測井儀器需求量快速增長,但一些結構復雜、材料特殊、集成度高的關鍵部件,卻因加工難度大、周期長而供不應求。測井裝備迭代研發的加快,也對復雜結構件制造提出了更高要求。

            2015年,中油測井與西安交大、西北工業大學密切合作,開啟了3D打印技術的探索之旅。“當初,我們專門設計了幾種零部件,成型工藝、結構優化、變形控制等均由校方完成。”中油測井智能制造部負責人劉旭說,經高溫高壓測試,首批3D打印的試制品,性能指標完全符合井下惡劣工況測井要求。

            中油測井逐步掌握了金屬、樹脂、陶瓷等不同材料產品的建模技術、打印工藝、最佳預熱時長等,并于2019年成功打印出溝槽種類多、形狀不一、結構精巧的陣列感應測井儀線圈骨架。

            2020年初,公司引進了用于金屬和非金屬3D打印的激光選區熔化(SLM)和熔融沉積成型(FDM)設備,試制的第一項產品是電成像測井儀的極板。“這種核心部件只有巴掌大,但結構復雜。”測井技術研究院機械工程師郭英才說,極板要在幾千米深的井筒中緊貼井壁工作,加工精度將直接影響測井成功率。

            技術人員結合極板加工余量大,成型過程中易出現開裂、局部變形等實際,在計算機上設計出產品3D數字模型,并按照設定厚度,用切片軟件把模型文件分成幾千個二維平面,同時,加強質量缺陷分析,優化三維模型,調整應力集中處結構,嚴控零件裝夾誤差,合理添加支撐提供反向拉力。

            2020年5月14日,經過16個小時連續打印,兩塊電成像測井儀極板一次成型,質量和性能均達到設計要求。

            插座擋條是全域側向儀器中的一個絕緣件,體積小巧、形狀不規則、加工工藝復雜。2020年6月,中油測井采用非金屬3D打印技術,一次成型了4件插座擋條,成本僅為傳統機加工的1/10。安裝使用后,與側向儀器上其他零部件嚴密吻合,性能優異。

            殘余應力是金屬3D打印面臨的最大挑戰,超大尺寸復雜結構件打印成型時,應力變形、開裂等問題更為突出。巖性密度測井儀探頭長約800毫米、外徑100毫米、重達80公斤,以往采用機加工生產時,涉及鏜孔、深孔、車、銑等十幾道工序,并且數控編程復雜。

            為滿足測井作業需求,技術人員持續改進粉末成分、部件結構、支撐設計等。今年2月,經過20天不間斷打印,一次性成功生產出3個高精度、高強度、高復雜度超大尺寸巖性密度測井儀探頭,產品抗拉強度提高6%。

            目前,先進的激光3D打印技術,已成為中油測井高效快速儀器制造的一種重要方式。(記者陳青 通訊員王怡紅 雷蕾)

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