“截至目前，我們利用3D打印技術(shù)修復(fù)綜采工作面刮板輸送機(jī)鏈輪環(huán)、轉(zhuǎn)載機(jī)鏈輪環(huán)共計74件。”神華神東煤炭集團(tuán)設(shè)備管理中心三機(jī)大修項目主管張宏慶說，“利用3D打印技術(shù)修復(fù)的鏈輪環(huán)，使用性能和壽命達(dá)到新件水平，但同購買新件相比，成本大幅降低了。”

　　為啥用3D打印技術(shù)修復(fù)煤機(jī)部件

　　2014年以前，神東煤炭集團(tuán)少數(shù)齒面磨損不嚴(yán)重的鏈輪環(huán)利用傳統(tǒng)補(bǔ)焊工藝修復(fù)，而磨損相對嚴(yán)重的鏈輪環(huán)只能報廢。

　　“看著堆積成山的報廢鏈輪環(huán)，大家很苦惱。一方面是心疼錢，另一方面是覺得當(dāng)前修復(fù)技術(shù)這么先進(jìn)，卻不能解決這個小問題，或多或少有些不服氣。”張宏慶說。

　　那幾年，正值3D打印技術(shù)逐步成熟，鋪天蓋地的宣傳報道引起了大家的注意。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空材料、醫(yī)療裝備、精密儀器等方面，在煤機(jī)部件修復(fù)領(lǐng)域鮮有涉及。

　　張宏慶說，當(dāng)時的爭論很大，有些人覺得，設(shè)備壞了，采用傳統(tǒng)補(bǔ)焊工藝可以簡單修復(fù)，再不行的話可以買新的，何必多此一舉呢?況且3D打印技術(shù)能不能運(yùn)用到煤機(jī)部件修復(fù)上?使用后效果怎么樣……這些問題讓大家有些猶豫。

　　“要做就做第一家，要做就一定要做好”，神東煤炭集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)的支持讓大家徹底放下了包袱。

　　經(jīng)過前期調(diào)研比對，神東煤炭集團(tuán)最終決定與西安一家3D打印技術(shù)公司合作。在做了測繪、取樣對比、數(shù)據(jù)論證等大量準(zhǔn)備工作后，技術(shù)人員開始試著對鏈輪環(huán)進(jìn)行修復(fù)。

　　筆者了解到，神東煤炭集團(tuán)采用的是激光立體成形技術(shù)，它屬于3D打印技術(shù)的一種。

　　激光立體成形技術(shù)結(jié)合了快速原型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)，是以實現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件無模具、快速和全致密近凈成形為目的的先進(jìn)制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的加工方法相比，激光立體成形技術(shù)不再需要刀具、夾具和機(jī)床就可以打造出任意形狀，且其強(qiáng)度和塑性可達(dá)到鍛件水平，為解決設(shè)備維修部件的高性能直接成形和快速修復(fù)問題提供了一條技術(shù)路徑。

　　根據(jù)部件三維模型數(shù)據(jù)，應(yīng)用激光立體成形技術(shù)能讓材料逐點、逐線、逐層堆積，快速而準(zhǔn)確地制造出部件，這是一種“增材”制造方法。

　　正是這種“增材”制造方法，讓神東煤炭集團(tuán)維修人員眼前一亮。經(jīng)過半年試用，針對利用3D打印技術(shù)修復(fù)的鏈輪環(huán)崩齒、磨損過快等問題，技術(shù)人員合理調(diào)整了修復(fù)工藝及打印粉末配比，在修復(fù)區(qū)域形狀和部件缺損形狀吻合度上進(jìn)行了細(xì)化。

　　2014年6月，利用3D打印技術(shù)修復(fù)煤機(jī)部件的條件基本成熟，神東煤炭集團(tuán)開始推廣應(yīng)用。

　　修復(fù)后的煤機(jī)部件使用壽命達(dá)到新件水平

　　鏈輪環(huán)長期與鏈條相互配合，在巨大沖擊力作用下，鏈輪環(huán)齒面極易磨損、斷裂，一般采用傳統(tǒng)氬弧焊補(bǔ)焊工藝對其進(jìn)行修復(fù)，但需使用耐磨焊條對鏈輪環(huán)進(jìn)行補(bǔ)焊、上數(shù)控銑床銑出配套鏈條齒、對齒面進(jìn)行淬火處理等。

　　傳統(tǒng)工藝工序繁瑣，焊后需進(jìn)行機(jī)械加工等，效率低且修復(fù)后需熱處理才能達(dá)到使用要求，外觀比較粗糙，且只能對磨損量小于20毫米的部件進(jìn)行修復(fù)，超過這個尺度的鏈輪環(huán)只能報廢處理，而利用3D打印技術(shù)修復(fù)鏈輪環(huán)可以完全消除傳統(tǒng)氬弧焊補(bǔ)焊工藝的弊端。

　　利用3D打印技術(shù)修復(fù)鏈輪環(huán)的步驟是這樣的：鏈輪環(huán)修復(fù)前，維修人員先對鏈輪環(huán)進(jìn)行清理及編號，這是一種“身份登記”。隨后，三維掃描儀開始對鏈輪環(huán)進(jìn)行掃描并形成點云數(shù)據(jù)，激光立體成形數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)數(shù)據(jù)確定修補(bǔ)區(qū)域，并計算修補(bǔ)區(qū)域差值。這一過程包括三維模型打開、三維模型變換與觀察、三維模型剖分、剖分路徑修改、路徑填充、填充路徑修改與優(yōu)化、數(shù)控代碼生成等步驟，等這些工作做完后，真正的“增材”工作開始。

　　維修人員只需將待修復(fù)鏈輪環(huán)放至合適位置，激光3D打印機(jī)立即開始自動修復(fù)。維修人員將這個過程形象地比喻為“頭重腳輕”，即前期準(zhǔn)備時間長，而真正修復(fù)很簡單。

　　據(jù)張宏慶介紹，利用3D打印技術(shù)修復(fù)煤機(jī)部件的前提是建立龐大的部件原型數(shù)據(jù)庫，這依托于一系列軟硬件，需要對新采購的部件在入庫前利用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行詳細(xì)測量，測量數(shù)據(jù)的精度直接關(guān)系到后期修復(fù)部件的尺寸精度。而修復(fù)后的部件需在井下工況環(huán)境下進(jìn)行試用，并根據(jù)試用情況對修復(fù)工藝及粉末進(jìn)行調(diào)整。

　　“在修復(fù)過程中，激光束方向、能量可控性好，這對精確確定修復(fù)區(qū)域、最大限度減少鏈輪環(huán)變形大有好處。待修復(fù)區(qū)域與鏈輪環(huán)本體處為致密冶金結(jié)合，不易導(dǎo)致復(fù)體脫落、剝離。修復(fù)區(qū)域形狀和部件缺損形狀接近，表面質(zhì)量高，不需后期加工，一次成形，而且整個過程由計算機(jī)控制，可靠性、重復(fù)性強(qiáng)，更美觀。”張宏慶說，“修復(fù)后的鏈輪環(huán)實際使用壽命基本能夠達(dá)到新件水平，成本更低。”

　　據(jù)了解，神東煤炭集團(tuán)利用3D打印技術(shù)修復(fù)的74件鏈輪環(huán)，如果全部采購新鏈輪環(huán)需要1200萬元，但利用3D打印技術(shù)修復(fù)鏈輪環(huán)只需要670萬元，節(jié)約530萬元。

　　目前，神東煤炭集團(tuán)確定了包括綜采機(jī)、連采機(jī)、掘錨機(jī)、泵站等在內(nèi)的7大類共計121項利用3D打印技術(shù)修復(fù)的部件，部分部件已經(jīng)進(jìn)入試修試用階段，等到評議合格后即可批量修復(fù)。