3D打印在电力行业的应用研究

摘 要

2014年初PwC（普华永道）公司进行的相关调查预示着3D打印革命的到来，参加调查的100多家制造企业中，有11%已经大规模采用3D打印技术生产配件或产品。根据盖特纳（Gartner）公司的分析，当一种技术的采用比例达到20%的时候，它就已经成为主流。现在可打印材料除了基本的塑料和感光树脂，还有陶土、水泥、玻璃、多种金属以及合金，乃至加入了碳纳米管和纤维的新型热塑性复合材料。虽然运用新的3D打印方法和新材料往往使得商品直接成本升高，但是增材制造技术带来的高度灵活性可以让总成本降低，加上具有优势的应用模式，成本将进一步的降低。目前，3D打印技术最大的优势就是个性化打印，满足个性化需求，但是随着材料范围的拓宽以及打印速度的加快，3D打印技术将会成井喷方式的发展，尤其是在制造行业和一些服务型行业，本文就在电力行业引入3D打印的应用场景以及可能性，详细从成本、性能、效率三个方面探究，并提出需要注意的事项。

【关键词】3D打印 电力行业 应用

目前，3D打印在电力行业的应用场景探索基本处于一个空白，尤其是在国内最大的3D打印机代理商震旦公司的反馈来看，目前3D打印在电力行业还没有应用的实例。本文基于中国南方电网云南分公司所涉及的应用场景和业务范围，用基于现场访问以及调查问卷的方式来收集和分析3D打印在电网行业的引入的可能性以及分析其相关的注意事项。此论文希望能够起到一个抛砖引玉的作用，希望有更多的关于3D打印技术在电网行业应用方向出发来引出和完善3D打印技术各个分支在电力行业应用的研究，以便为电力行业引入3D打印提供选型和应用基础。

1 配网规划、设计、建设

随着配网自动化进程的加快，配网规划、设计、建设方面的复杂性越来越高，成本明显提高，配网网络规划以及重点规划区域展示将会越来越多用到模型（配件）的模拟展示，特别是针对复杂配网规划的展示。3D打印技术的引进，会缩小制作模拟模型的周期，特别是在沙盘演练方面。但是存在的问题是，目前3D打印支持的材料是比较昂贵的，特别是针对沙盘这种大型的制作，同样的，类似沙盘的3D模型制作和精度的控制需要重点考虑。对于一般的沙盘模型的制作（比如房地产商的沙盘模型）的制作成本一般就控制在10000元左右，但是针对OBJET30 pro 桌面级3D打印机支持的材料诸如白色硬质材料要达到7400元/公斤。特别是在电网规划中的重点、特色区域模型打印，需要强调相应的模型精确度和重点的突出，因此在耗材上会相对昂贵。那么，3D打印技术在规划方面的应用就比不上三维地理图，尤其才大数据辅助方面，三维地理图在数据实时性和动态性上表现得更为客观。

2 配网设备（配件）、运维（检修）、工具改造

配网设备多样化，所处环境复杂化，对配网设备的优化以及运维检修方面的要求越来越高。已投入的配网设备部分配件不满足当前复杂的生产环境，需要进行局部优化。在配网设备维护和检修过程中，有些设备处于局部损坏就直接丢弃的现象，造成大量资源浪费。特别是一些有特殊用途的配件，因为采购周期长，采购数量少，会加大采购成本，供电可靠性得不到满足。3D打印在这方面的引入，可以缩短部分配件采购周期。但是成本目前也是不可控的。因为电力设备相关配件的损坏不是一个共性的损坏，这将会导致针对不同配件的损坏的不同程度要单独建立3D模型，在建模上付出的时间和成本是很高的。而且，由于投入生产运行的设备或者配件需要满足特定的性能和精确度以及可靠性，3D打印出来的配件是不能很好的满足要求生产运行要求的。特别是在电气参数方面，目前，3D打印机支持的材料在这方面的应用，还没有得到很好的验证。配网运行设备，多数是一次性设备，而且数量非常庞大，且不具备共性，因此，首先在3D建模上就需要满足快速建模的能力，因此可以建立3D模型库，然后针对不同的配件的损伤程度来进行修改，其次在3D打印方面的应用应该基于特殊设备（配件），才能体现3D打印在缩减成本方面的优势，普通的一次性设备就算损坏，如果都使用3D打印技术来解决，做不到较高成本效益比。3D打印对运维检修故障判断方面的支持也是比较可靠的。在实际运维过程中，存在设备精度不够和设备老化导致的供电故障的情况，3D打印技术的引入，首先可以用3D模型来解决相关设备内部构造认识不清楚的问题，其次，可以利用3D打印出来的设备来模拟正常的运行状态和存在故障的设备，提高故障的定位速度和精确度。

特别地，在运维、检修过程中，需要用到一些检修工具和日常的运维工具，虽然，这些设备在一定程度上能够满足日常工作，但是针对特殊的环境和易用性等方面，还存在较大的升级改造空间，3D打印技术的引入，首先可以快速建立出这些工具需要改造的模型，在模型的基础上打印出来的工具，能够得到快速的验证，在降低工具改造的成本情况下，能够增强一线业务人员对工作的投入程度，提高工作效率和创新能力。

3 电力培训

电力培训目前主要采用学习作业文件、图纸的方式来了解装置的工作原理，部分单位也采用电脑仿真技术，让技术人员熟悉装置的工作原理，这些方式在一定程度上有助于培训工作的效果，但也存在明显的局限性。3D打印技术以可根据材料的不同打印出不同材质的模型，若采用3D打印技术生成设备的微型树脂模型，让装置构造透明化，可以让技术人员更加快速的掌握设备或者装置的工作原理，取得良好的培训效果。

在3D打印技术引入之前，对于设备构造方面的培训，目前基本都是利用已经报废的设备和新买设备，新买设备，成本一般在几万到几十万不等，而对于报废设备，在一些关键设备构造方面做不到完整的构造再现。特别是一些封闭式的电气设备方面，无论对报废涉笔还是新买设备，更是无能为力。3D打印技术的引进，可以在缩小设备比例打印的情况下（降低打印成本），很清楚的展现相关设备的内部构造。另外，如果在3D模型的应用中，在满足精度要求的情况下，能够做到设备组装式的一层一层剥离的应用，将更大程度上提高培训的效率（普洱供电局已经在尝试这方面的工作）。特别地，因为在电力培训过程中，对于设备或者模型的精确度以及材质方面的要求不是很到，因此3D打印技术在这方面的应用会更具成本优势。

4 结论

从性能、效率、成本三个维度来看，3D打印引入单纯的电网企业，需要在应用模式以及应用场景上进行权衡和选择，在抢险救灾过程中，性能和效率成了最关键的衡量因素，在培训过程中，成本占的权重又比较大，同样地，在设备维修以及技改方面，这三者的权重又要根据实际情况来进行权衡。3D打印在电网行业的应用相对比较广泛，在电网行业内部，从性能、效率、成本三个维度的评估，3D打印将在下面几个方向发挥重要作用。

（1）在抢险救灾过程，移动抢修方面，移动3D打印将会提高抢修速度，保障供电的可靠性和及时性，特别是针对配件局部修复；

（2）电力培训中引入桌面级3D打印设备，会极大的提高培训质量和降低封闭设备结构培训成本，在效率以及性能方面，培训过程中，对设备的精度以及材料的性能没有特别高的要求；

（3）在模型设计方面，特别是技改方向，将会充分利用3D打印快速成型和快速验证的优势。

但是，针对我们平时经常使用到的沙盘模型，通过此次的调研发现，3D打印不具备成本、效率方面的优势。

同时，3D打印在电力行业的应用过程中，我们将会遇到几个方面的问题：

（1）3D建模能力。电力设备（配件，尤其是在移动抢修过程）的建模需要满足电气性能等一系列要求，因此，能否快速3D建模将会直接影响到3D打印的应用效果。

（2）后期加工处理能力。3D打印虽然能够快速成型，但是，投入到生产中还需要在成型后期进行一定的加工，因此，后期的处理水平将会影响3D打印的精度和产品的质量，特别是针对一些镂空的结构，需要使用支撑材料才能够打印，因此，后期的处理时机也是很关键的一个环节。

作者单位

1.云南电网有限责任公司 云南省昆明市 650000

2.云南云电同方科技有限公司 云南省昆明市 650041