工业：APS Technology - 油田钻井设备制造商采用 EOS 的工业 3D 打印技术
迈向全新生产之路:油田钻井设备制造商 APS 采用 EOS 工 业 3D 打印技术制造零部件
想象一下,您只需站在屋外,就可以在起居室的墙上钻一个孔,经过走廊,一直钻到卧室。这听起来 多么不可思议。理想的钻井技术可以让这一切成为现实,这种技术不仅具有卓越的灵活性,而且能够 针对各种极具挑战的任务量身定制。幸运的是,木匠和家装爱好者不需要采取如此极端的钻进手段, 但在石油和天然气行业,如此不可思议的壮举却是每天都在上演。正因如此,APS Technology 借助于 EOS 增材制造技术,来生产油田钻井设备。
面临的挑战
在世界各地,钻井机通常需要穿 透多个岩层,钻出深达几英里的 孔。钻头往往需要在数万英尺深 的地下,通过复杂的孔几何结构 来确定钻井孔的走向。这种创新 技术采用随钻测量 (MWD) 与旋转 导向系统 (RSS) 相结合的方式, 可直接安装在钻头下方以实时测 量钻孔位置并控制轨迹。
除了在地下数百英尺切割岩石时 遇到的那些不言而喻的困难外, 用于冷却钻头和冲走钻屑的承压 流体也会受到严重磨蚀并很快流 失。这样会严重损坏井下系统和许多其他类型的钻井设备,甚至 能摧毁超级坚硬的铬镍铁合金和 17-4 不锈钢。而对于如今的能源生产商而言, 这些困难仅仅是冰山一角。除了 MWD 系统外,APS 还致力于为钻 井操作人员提供包括导向钻进电 机、减振器、建模及分析工具和 测井传感器在内的多种智能工 具。此前,APS 已经借助多种增 材制造手段,完成了多项持续改 进工作。“我们得到了许多为我 们量身打造的塑料零件,”APS Technology 营销副总裁 Paul Seaton 说道。“尽管这些零件的手感良好,而且便于观察契合度,但它 们对设备测试而言几乎毫无价 值。因为它们根本不耐用。”
解决方案
EOS 为 APS 准备了理想的解决方 案:基于耐用金属的增材制 造。APS 可以借助这项技术,在 短时间内建造出持久耐用的零 件。这就是众所周知的解决方 案: EOSINT M 280。借助 DMLS, 设计人员可以创建先前无法制造 的复杂几何结构,并且轻松应对 诸如此类的挑战。例如,可以创 建各种晶格结构和细密的网状结 构,生产的零件相比传统的同类 机加工产品更具空间效率。
“我最初来到 APS 时,这个系统 在这里刚刚上马一个月左右。” Seaton 回忆道。“同事们进行了 一系列测试打样和其他工作来熟 悉这个系统,但它对于我们所有 人而言都是一项全新的技术。
EOS 为我们提供了现场培训和应 用建议,使我们得以迅速上手不 同零部件原型设计。这些早期的 成就使得我们如今的工作更加具 有生产导向性。”
其中一个成就是五级涡轮机的应 用,用来为导向钻头及其机载 MWD 系统提供动力。每台涡轮 机都包含若干个采用 DMLS 打印 的零件,在这项增材制造工艺 中,EOSINT M 280 利用大功率 Yb 光纤激光器和精密扫描光学部件 将 CAD 模型的极薄切片描记到精 细金属粉末层上。激光器所经之 处,每个独立的金属微粒熔化, 并与邻近的微粒和下一层融合。 每个切层经激光照射并熔化后, 将在逐渐成型的工件上铺上一层 新的金属粉末并重复执行上述加 工过程,逐层进行,直至加工 完成。
每台涡轮机包含数个复杂的端盖 和五套定子与转子,这些全部由 APS 的 EOSINT M 280 制造完成。 “而现在,我们已经有能力使用 不锈钢、铬镍铁合金和其他金属 制造这些组件,这对我们而言是 一个巨大的优势,因为我们可以采用 3D 打印技术制作出真实的 零件并应用到真实的环境中。” Seaton 表示。高级机械工程师 Chris Funke 表示,这些组件绝对能 够应对真实环境中的钻井作业, 包括在该公司自有的 3,000 英尺深 的测试井中服役。
成果
采用 EOS 技术后,APS 得以将钻 井组件的零部件数量从四个独立 零部件减少到仅仅一个。DMLS 还帮助该公司的大规模制造车间 节约了成本,曾经需要花费数天 甚至数周才能制造出来的夹具和 固定装置,如今可在无人值守的 情况下一夜之间打印完成。除了 在减少零部件数量和制造新型组 件形状方面的优势外,APS 的设 计人员还发现,这种技术可以大 大缩短产品开发周期。
DMLS 的使用可以为 APS 开辟许多 其他思路。相比之前,采用增材 制造工艺生产的零件更加接近预 期的几何结构,因此常常可简化 下游加工操作,有些情况下甚至 可以完全省去这些操作。此外, 新技术还帮助 APS 省去了模具和其 他一次性加工成本,只需 CAD 模型和金属粉末就足以制作出来。 “如今我们可以为车间提供 DMLS 零件,此前采用传统方法以棒料 制造同等零件可能需要花费 18 个 小时。”Funke 指出。“零件的 打印需要花费 22-26 个小时,但 它拥有的特性却是传统方法无法 比拟的,例如有机孔。如今,车 间只需花费 3-4 个小时来加工密 封面并进一步控制公差特性,即 可完成该零件。因此,借助 DMLS 工艺,我们可以为加工车 间节约 14-15 个小时的时间来生 产其他产品。DMLS 正在改变我 们的整个制造流程,使我们拥有 更强大的能力来运营其他项目, 甚至承揽其他工作。我们计划利 用 EOSINT M 280 为我们完成更多 的工作。”Funke 说道。
整个 MWD 系统:一些内部涡轮机组 件由 EOSINT M 280 系统打印出来。 (图片来源:APS)
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