【詳細説明】鉱山機械の脆弱機器への3Dプリント修復技術の応用に関する議論

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-7-5 17:27 に最後に編集されました。

地下炭鉱の大型採掘機械は高価で、スペアパーツが不足しており、メンテナンス費用が莫大です。一度損傷すると生産ラインが中断され、大きな経済的損失が発生します。不完全な統計によれば、わが国は毎年、大規模な炭鉱設備の修理に数千億人民元を費やしている。したがって、主要な設備の修理を実施し、迅速、効率的、かつ正確な修理技術を開発することは、幅広い市場の需要があるだけでなく、経済的、社会的にも大きな利益をもたらします。米国の市場調査機関ReportsnReportsが発表したレポート「2017年の世界3Dプリンティング市場」によると、3Dプリンティング技術の応用動向とそれが将来の生産と人類のライフスタイルに与える影響を展望すると、世界の3Dプリンティング市場の需要は年間20％以上の成長率で成長し、2017年には50億米ドル規模に達すると予測されています。
「2014年国家ハイテク研究開発計画（863計画）及び国家製造業科学技術支援計画代替プロジェクト募集ガイドライン」の「複雑な部品やコンポーネントの製造のための大型レーザー焼結設備の開発と応用」には、「複雑な部品やコンポーネントの金型の迅速な製造のニーズを満たすために、ワックス型、ワックスパターン、砂型、ナイロンなどのプラスチック部品の製造に適した大型レーザー焼結設備を開発する。部品の精度は±0.1％以内に制御され、積層効率は1000cm3/hに達し、関連する技術基準が策定される」と記載されており、中国の3Dプリント技術の強力な発展傾向を伝えています。

次に、鉱山機械の脆弱な設備のメンテナンスにおける3Dプリントレーザー修復技術の応用と展望を探り、生産の迅速な再開と経済的コストの節約という目標を推進します。

2.3Dプリントレーザー成形技術
3D プリントレーザー成形修復技術は、これまでの修復技術とは異なり、金属粉末を材料として使用します。CAD/CAM ソフトウェアのサポートにより、CNC (コンピュータ数値制御) がレーザーヘッド、粉末ノズル、工作機械を制御して、指定された空間軌道に沿って移動し、修復箇所で層ごとに溶解/蓄積し、最終的に元の部品に近い 3 次元エンティティを生成します。 3D成形・修復技術の核心は、修復体の3次元モデルと修復体のレーザー3次元成形にあります。修復体の3次元モデルは、一般的にCADモデル処理ソフトウェアを使用してブール演算を実行することによって得られます。

3D 成形修復技術は、合金化、ボディ硬化、強化相の追加などの冶金学的方法を使用して、クラッド層の金属に一定の強度/硬度、耐摩耗性、耐腐食性、耐高温性などの特性を持たせ、表面の特殊なニーズを満たし、アプリケーションにおける一部のアセンブリフィッティング表面の欠陥修復問題を解決し、金属加工プロセスにおける寸法公差の問題も補うことができます。 3D成形補修技術は、レーザークラッディング技術の成形における欠点を補い、レーザークラッディング技術が平面や円筒などの規則的な曲面に単一または複数の融合層をコーティングすることしかできないという技術的制限を打ち破り、凹凸のある表面や複雑/特殊な形状の構造を持つ部品の自由な成形補修/パッチを実現し、最終的に輪郭に基づいた正確な補修を実現します。

レーザー立体成形修復技術は、部品の修復という目的を達成できるだけでなく、修復領域を強化するというニーズにも応えます。鉱山機械の部品は構造が複雑で、表面には高い強度と耐摩耗性が、中心部には高い柔軟性が求められます。現在、一部の鉱山機械で使用されているレーザークラッディング技術には整形機能がないため、鉱山機械の脆弱な部分の修復対象領域の構造原型を修復することはできず、単純にコーティングすることしかできません。 3Dプリントレーザー成形修復技術は、レーザークラッディング技術の成形における欠陥を解決し、表面強化技術と3次元成形の利点を組み合わせ、鉱山設備の修理問題を解決するのに適しています。 3D プリントレーザー成形技術は大きな発展の可能性を秘めていますが、鉱山設備の修理への応用例はほとんどありません。

3. 脆弱な鉱山設備に対する 3D プリントレーザー修復の応用<br /> 鉱山設備の脆弱な部品は、直接作業部品、構造部品、伝送システム部品の3種類に大別できます。これらの3種類の部品は、性能や産業および採掘環境に対する要件に大きな違いがあります。上記の3種類の部品のメンテナンスは、鉱山の通常の生産とメンテナンスの最も重要な部分です。この記事では、主に次の3種類の設備部品の3Dプリントレーザー修復アプリケーションについて説明します。

3.1 鉱山機械の脆弱な直接作動部品の 3D プリントレーザー修復<br /> 鉱山機械の脆弱な部品は、ロードヘッダーや石炭採掘機械のピック、スクレーパーコンベアのスクレーパー、スクレーパーチェーン、スプロケット、ロードヘッダーや複合採掘機械のトラックシューやトラックホイール、破砕機の歯板やギアリングなどの直接作動する部品です。このタイプの摩耗部品の特徴は、作業条件が極めて過酷で、強い引っかき傷や激しい衝撃を受けることが多く、脆弱な形態は一般的に表面の摩耗や内部の亀裂です。

これらの部品は採掘設備の消耗部品であり、激しい摩耗や損傷を受けるため、頻繁に交換する必要があります。例えば、トンネル掘削機の切削ヘッドと歯座は、ZG35CrMnSiやZG40CrNiMoなどの焼き入れされた鋳鋼材料で作られています。歯体の表面と表面近くの硬度は一般的にHRC49〜HRC54で、構造は一定の円弧状の外観を持っています。表面はレーザークラッディング技術で強化できますが、歯や歯座は偏摩耗に悩まされ、不規則な幾何学的外観を形成します。レーザークラッディング技術では修復できないか、修復後に加工する必要があります。レーザー3次元成形修復技術は、寸法精度の高い外観を実現できるだけでなく、タングステンコバルト合金の強化や歯の火花フリーのニーズにも応えることができます。

例えば、スクレーパーコンベアのスプロケットは、一般的に40Crなどの焼入れ性に優れた材料で作られ、焼き入れされています。スプロケットチェーンソケットは厚く、熱処理中に焼入れ割れや不完全な硬化が発生しやすいため、スプロケットの硬度はHRC45〜HRC50の範囲に制限されます。レーザー立体成形修理技術により、スプロケットチェーンソケットの修理硬度をHRC50以上にすることができます。

3.2 鉱山機械の脆弱な部品の3Dプリントレーザー修復<br /> 鉱山機械の脆弱な設備には機械構造部品が含まれます。これらの部品は、設備自体の構造強度を満たすだけでなく、摩耗や衝撃などに対して一定の耐性も備えている必要があります。このタイプの部品は一般に損傷強度が中程度で、交換頻度は低くなります。しかし、輸入された大型鉱山機械の部品や付属品の中には、納期が長く、高価なものもあります。部品が破損した場合、3D プリントレーザー修復により、短時間で機器を正常に動作させることができるだけでなく、機器のメンテナンスコストを大幅に節約できます。このタイプの部品の材料は、一般的には一般の高強度構造用鋼、耐摩耗鋼、その他の鋼です。一部の構造では鋳鉄や鋼の鋳造も必要です。

鉱山機械の摩耗しやすい部品には、一般的に高い強度/硬度、優れた耐摩耗性、およびある程度の靭性が求められます。レーザー成形修復技術は、エネルギーが集中し、熱影響部が小さく、内部の粒子が細かく、構造が均一で、性能が優れています。さらに、レーザー成形修復技術では、CAD/CAM ソフトウェアのサポートにより CNC (コンピュータ数値制御) 技術を使用して元の部品と同じ構造の形状を成形し、ニアネットシェイプ効果を実現できます。この技術を使用して修復された部品は、外観が滑らかで構造変形が小さいだけでなく、従来の鍛造品のレベルに達することができる機械的特性も備えており、通常のアーク溶接、アルゴンアーク溶接などで修復された部品の性能レベルをはるかに上回っています。

3.3 鉱山機械の脆弱な機械トランスミッションの 3D プリントレーザー修復<br /> 採掘機械の脆弱な部品のもう 1 つは、ギア、スプライン、シャフトなどの機械伝動システム部品です。このタイプの部品の故障形態は、一般的に歯の破損、摩耗などであり、交換頻度は第 1 カテゴリと第 2 カテゴリよりも低くなります。ギアやスプライン部品は一般に浸炭窒化鋼で作られ、シャフト部品は一般に焼入性に優れた40Cr、35CrMo、40CrNiMoなどで作られています。これらの部品は一般に高価であり、高い加工寸法精度が求められ、少しでも傷がつくと使用できません。特に輸入された大型の石炭採掘設備には交換部品がなく、部品が破損すると設備が稼働できなくなります。

3.4 3Dレーザープリント修復技術の特徴と利点
1) デジタル製造： CADなどのソフトウェアを使用して製品構造をデジタル化し、機械設備を駆動してデバイスの処理と製造を行います。デジタルファイルはインターネット経由で送信することもでき、分散型の製造生産モデルを実現します。
2) 次元削減製造（階層化製造）：つまり、3次元の物体を2次元の階層構造に分解し、それを層ごとに積み重ねて3次元の物体を形成します。したがって、原理的には、3D プリント技術はあらゆる複雑さの構造を生成でき、製造プロセスはより柔軟になります。
3) 堆積製造：「ボトムアップ」堆積法は、不均一な材料や機能勾配を持つデバイスを実現するのに有利です。
4) 直接製造：高性能で成形が難しい部品も、組み立てや接合などの複雑な工程を必要とせず、「印刷」により一発で直接製造できます。
5) 迅速な製造: 3D プリントの製造プロセスは短く、完全に自動化されており、現場で製造できるため、製造がより迅速かつ効率的になります。

3.5 鉱山機械メンテナンスにおける3Dプリントレーザー修復の応用展望
3D プリント技術は、材料を積み重ねることで立体物の加工を完了し、材料を最大限に節約します。採掘機械の脆弱な部分のメンテナンスは静かな環境で完了するため、環境への汚染は基本的にゼロになり、エネルギーも節約できます。同国は3Dプリント技術の重要性を認識しており、これはまた、鉱山機械の脆弱な部分の修理における3Dプリントレーザー修復技術の開発の機会も提供する。

現在、一部の鉱山機械では、レーザークラッディング技術を使用して、耐用年数と表面コーティングを向上させています。最初に選択されたコーティング材料は、Niベース、Coベース、およびFeベースの自溶性合金です。この合金システムは、耐摩耗性と耐腐食性に優れており、さまざまな炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、鋳鉄、およびさまざまな非鉄金属基板に対して広範囲で良好な濡れ性を備えています。基板との冶金結合を実現して、反応効果を得ることができます。

レーザー成形3Dプリント技術は、Niベース、Coベース、Feベースなどの自溶性合金を接着剤として使用し、WC、Al2O3、ZrO2、TiC、TiN、SiCなどのセラミック材料を強化相として選択することで、レーザー立体成形により摩耗したワークピースの脆弱な部分を修復し、ワークピースの耐摩耗性を2倍にする材料複合製造も実現できます。 WC、TiC、SiC、B4Cなどの高融点超硬質セラミック粒子をNi-Cr-B-Si自溶合金に加えて複合コーティングを形成すると、コーティングの硬度と耐摩耗性が大幅に向上し、平均硬度はHV1000〜HV1400になります。レーザー成形 3D 印刷技術は、柔軟な材料選択と精巧な自由成形の利点を備えており、レーザークラッディング技術よりも鉱山機械の摩耗部品への応用が広く期待されています。

3Dプリント技術として、レーザー成形および修復技術は、金属3Dプリント技術の自由な成形能力を備えています。鋳造における3Dプリント技術の応用は、砂型、鋳型、鋳物の製造と修復に集中しています。この技術は、レーザークラッディング技術（レーザー表面クラッディング）の表面強化の利点を継承しています。成形プロセス中に、Niベース、Coベース、Feベースの自溶性合金とWC、TiC、TiN、SiCなどのセラミック材料の複合を実現できます。

鉱山機械の脆弱な部分の3Dプリントレーザー修復は、3Dプリント技術の実用化です。レーザー成形修復技術は、複雑な構造成形におけるレーザークラッディング技術の欠陥を補い、表面強化におけるレーザークラッディング技術の技術的利点を継承・発展させています。鉱山設備の脆弱な部分の修復に使用され、修復後の機械加工を回避または軽減し、コピーによる精密な修復を実現できるだけでなく、複雑/特殊形状の構造を高強度で耐摩耗性のある状態で修復することもできます。また、鉱山設備の脆弱な部分の耐用年数も向上します。これは、鉱山設備の理想的な修復方法です。鉱山設備の修理において潜在的な技術的利点と幅広い応用展望があり、大きな発展の可能性と莫大な経済的利益があります。

本稿では、鉱山機械の脆弱な設備の修理における3Dプリントレーザー成形修復技術の応用範囲と展望について論じ、直接作業部品、構造部品、伝送システム部品の3種類の鉱山設備の脆弱な部品に3Dプリントレーザー修復技術を適用する可能性を提案する。また、一部の鉱山設備で使用されているレーザークラッディング表面強化技術と比較した3Dプリントレーザー修復技術の違いと利点についても論じる。結果は、鉱山設備の脆弱な部品の3Dプリントレーザー修復により、修復の機械加工を回避または削減し、プロファイリングによる正確な修復を実現し、鉱山設備の脆弱な部品の耐用年数を延ばすことができることを示している。

編集者: Antarctic Bear 著者: Wang Haijun (China Shenhua Shendong Coal Group Co., Ltd.) Huang Weidong (Xi'an Polylite Laser Forming Technology Co., Ltd.)

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