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3D打印技术踏足油气行业 潜力何在？
石油圈出品 来自： Karen Boman & Rigzone Staff 编译： 王文东 王月 网址： www.oilsns.com
3D打印作为一种全新概念的制造技术，已经成为当前先进制造技术领域创新发展的源泉。它是一种利用打印机结合数字模型来制作实体物件的技术，其发展已经有数十年的历史，但油气公司最近几年才开始研究利用3D打印技术进行产品开发。3D打印技术的拓展运用可以改变油气行业的运营，但如何能够最大化利用3D打印技术仍然非常具有挑战性。
3D打印技术作为一种增量制造技术，又称为快速原型设计、制造技术，近些年始终占据媒体头条。随着技术日益复杂、机械设备也逐渐平民化，3D打印材料的种类越来越多。根据埃森哲咨询公司对3D打印技术在油气行业发展潜力的报道，3D打印目前已逐渐进入主流制造行业以及消费市场。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
部分3D打印技术专利到期也使得更多的公司能进入该领域。Lux Research 的分析师Anthony Schiavo在Rigzone的采访中提到，部分公司3D打印的应用超越了非功能性原型模型，同时，初创科技企业的大量涌现以及打印材料的可塑性和质量的提高都在不同程度上增加了工业界对3D打印的兴趣。
宇宙航空和牙医行业都采用3D打印技术来制造部件。Schiavo说3D打印技术的主要优点就是可以制造更小或者形状更为复杂的部件，同时降低高成本材料的浪费。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
油气公司探索3D打印技术
在Rigzone的一次采访中， GE Oil & Gas系统工程与高级技术的材料与制造技术的领导，Massimiliano Cecconi提到，GE Oil & Gas公司启动了增量制造技术的发展已经有五年了。位于意大利弗罗里达GE Oil & Gas公司的增量实验室第一次成功安装DMLM设备之后，该技术在近三年内都得到了长足的发展。
Cecconi说，“从那时候开始，实验室的发展变得越来越好，这多亏了研制涡轮机械组件和特殊合金的两台新机器。”GE Oil & Gas与GE Aviation 和 GE Global Research Center的合作使得这项技术的发展继续加速。多亏了印度GE Oil & Gas Additive Manufacturing Lab的建立，其产品性能得到了大幅度提高。
GE在实验室推行三个主要目标。第一个是快速成型并作为组件来支持新产品的引入。这项技术提高了GE快速测试的多个概念设计产品的能力，同时大大缩短了开发周期。根据了公司“快速学习”理论，GE的这种理论极大的增加了与客户的互动，加快了新产品推向市场的时间。其中一个典型案例是AM的新NovaLT16燃气轮机燃烧器的研发。Cecconi提到，采用DMLM制造了四种不同设计理念的产品，并且通过全尺寸内燃机进行了快速测试，大幅度降低了产品的研制和检验周期。
选定设计的燃料喷嘴成功以初期速度生产，并装备在第一个NovaLT16引擎，取得了良好的测试效果。同时，GE利用其生产力免费设计和制造复杂几何形状的产品。公司通过引入新型形状和几何图形重新设计燃气轮机燃烧组件来提高机器的性能和减排能力。Cecconi表示，“与传统熔模铸造等制造工艺相比，几何形状多样性的变化使得设计工程师现在能够进入一个更广阔的空间进行设计，创新的技术需要设计人员变革的思维方式。”
通过3D打印某个单一组件而不是将多个部分进行铜焊，采用焊接或螺栓的链接方式在简化制造工艺和装配操作上具有独到的优势。Cecconi说，“与传统方法相比，由于这项技术革新解决方案的快速引入，也将使我们的客户受益，让其能够更加快速的升级他们的主打产品。”
GE正在探索打印的第三个层次是生产线的备件制造。Cecconi说，“客户抱怨他们需要在仓库保存一些备件以确保他们能度过设备和工厂的停机时间。AM-3D印刷代表着一个思维模式的转变，由于3D打印的特点，缩短了产品的生产周期，让Frame 3等部分旧燃气轮机模型重新获得热气体生产能力。为了验证假设，采用3D打印方法生产的部分零件，不仅相同而且质量有保证，甚至比原装配件还好“。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
虽然最初的研发重点是涡轮机械组件，GE目前仍处在其他生产线，如海底工业3D打印技术相关经验的扩展过程。Cecconi说“我们绘制一个具有挑战性的蓝图，利用AM的功能来制造阀门部件，旨在改善设计以及缩短采购”。GE Oil & Gas公司在前年宣布将在宾西尼亚匹兹堡开设新的GE增量制造工厂，届时将会促进GE包括油气行业的知识和专家共享等不同业务。
哈里伯顿的一位发言人说，“3D打印技术的潜力还很大，这需要我们重新设计和改造部件的生产方法。” Halliburton已经在不同的业务上采用了3D打印技术，其中包括完井工具、电缆、射孔工具、测试和水下作业设施，以及Sperry钻井、钻头和线缆。
哈里伯顿产品研发部门经理艾伦钟在接受Rigzone采访时表示，原型通过3D打印一部分可能需要几天，但是这个过程与传统成型过程相比仍然是非常快速的。3D印刷也可以更快地创建具有复杂几何形状的零件。传统制造业的局限性在于复杂的零部件必须分解成许多部分才能够在内部运作。通过使用3D打印，部分组件可以融为一体，减少组件的数量。例如，通过传统制造业，流动控制装置需要建立两个部分，然后焊接在一起，而通过3D打印技术，该设备可以通过打印成为一个完整的组件。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
3D打印在油气公司中的挑战
毫无例外，尽管油气工业都在寻找如何将3D打印技术运用到油气行业，除了原型阶段的打印模型外，Lux研究人员指出了3D打印在油气工业有限的潜力。过度关注3D打印制造零部件的稳定性和可靠性将会放缓3D打印技术在油气行业的推广。Schiavo指出航空航天工业的陡峭的学习曲线，认为需要十年甚至更多时间来研究内部开发流程，确保3D打印部件的质量和可靠性。
埃森哲咨询公司提到了3D打印在油气上的潜力，但是由于油价持续低迷，公司想要在2016年节约开支，很有可能推迟3D打印的研究计划。在Rigzone的采访中，埃森哲咨询公司北美能源创新的领先人物Brian Richards表示，3D打印是一项研究如何在未来5~10年节约开支的一项研究计划。
Richards表示，人们在思考非关键的工具部件以及利用定制的工具作为一个起点，但是争论依旧围绕着不利因素，比如部件是否会失效以及谁拥有知识产权等。新型3D打印机和3D印刷材料通常需要耐高压高温等能源公司常面临的恶劣环境。软件方面，运用计算语言进行复杂表面制造和设计同样至关重要，但是埃森哲咨询公司还没有看到油气行业在这一领域的应用前景。
井控部件装备咨询公司、Subsea Solutions LLC 3D打印解决方案的经理Barry Calnan说，3D打印的材料同样需要油气行业的认证，就像航空航天和汽车工业那样，让其能够使用起来。Subsea Solutions将3D打印模型作为培训课程的一部分，允许学生学习、拆解并重组这些设备部件，比如防喷器。Richards表示，“目前，市面上没有一个类似iTunes一样的音乐市场代理，汇集不同公司的产品，并将产品放在一个通用的知识产权框架里”。
虽然存在很多问题，但3D打印在深水领域仍然具有很大的潜力。Lux研究人员认为由于距离机械车间较远和同时缺少熟练工人，因此可能3D打印技术在海上比在陆上有更大的潜力。Lux分析师表示，3D打印技术能够长期兴盛的原因是能够根据现场的需要来制造零件，取代部件损坏时运送等待的问题。在钻井平台上，可使用材料和打印机来制造零部件，通过3D打印来制造部件通常需要6-24个小时，这可以大大减少海上钻井平台由于缺少质量控制、检验、更换部件的交货时间。
Schiavo说，“通常情况下，无论你在哪里需要制作材料昂贵的小型复杂部件，3D打印都可以解决你的问题”。作为油气公司一种更好管理供应链的一种方式，埃森哲咨询公司在报告中高度称赞了3D打印技术在偏远地区现场制作工具的能力。Richards表示，对于油服公司来说，就有了销售工具电子模型或打印部件许可的机会，就像音乐品牌销售播放授权给iTunes一样。
然而，在不久的将来，或者说至少五年内，并不会期望3D打印会在油气行业产生实质性的收入。另一个机会是寻找一些破产公司过去制造的零部件，采用3D打印技术延长资产的使用寿命。除了多年的原型制作之外，油气公司是怎样运用3D打印技术的呢？埃森哲咨询公司在其报告中建议，公司应该从模型的建立开始就应该对目前的技术有非常熟悉的了解和认识，并同时制定能够在目标区域带来最大利益战略方针。石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
“与现场工人的紧密合作让公司明白什么部件可以3D打印，同时明白在设备报废之前如何去维护和更换部件。”运营商也应同组织外的供应商一起工作，来了解他们的计划，如何在未来的供应链中使用3D打印。埃森哲咨询公司在报告中提到，“在上游业务中，供应链的可控和预见性对如何将3D打印技术高效利用的前瞻性、以数据为基础的决定起到关键性作用。在原有运行结构的基础上，成功的前提可能是平稳过渡到数字化供应链验证”。
Richards说，埃森哲咨询公司也鼓励供应者和服务公司将3D打印作为他们节省成本的投资组合方案。“相比其他更加成熟的手段，效果可能不会很显著，但3D打印仍然能够为深化产品的使用潜力和价值奠定基础”。Calnan说，3D打印不只是以高性价比的方式制造已经创造出来的零件。3D打印应用在油气工业中的方式越来越多，意味着旧的工程制图需要被转变为更为现代的工业化设计，或者当零件用标准制造工艺设计时，将当下的设计理念转变为预期之外的设计。
一部分原因是3D打印也正在改变工程师们已有的制造工艺和习惯。Calnan引用了一个工程师小组的例子，他给工程师们阐述了关于3D打印技术的概念。虽然工程师们发现这项技术非常有趣，但他们一致认为应用3D打印技术不太可能。考虑到10年前的情况，这点就可以理解了，当时工程设计的焦点主要是按照程序行事，并确保每件事符合标准，工作有效、安全。
Calnan说，“现代制造工艺和标准的下滑阻碍工程师的创新动力和好奇心，这回到了‘也一直是那样做’的时候。加工件是光滑和闪亮的，打印部件可能有一个粗糙的表面，但两者做同样的事情。与其说这是一个功能问题，倒不如说是一个偏好。但用打印部分，你有能力创造任何事物。”但Calnan认为在油气中3D打印技术的使用将随着学校出来的学生逐渐代替而越来越频繁，这因为他们一开始就学习了3D打印理念。
在油气公司的带领下，Calnan希望3D打印可以以全新更有效的方式重塑油气工具和设备。以不变的方式做相同的事情还期望创新实在是天方夜谭。Calnan说，“在经济低迷时期，你需要利用更好、更有效的方式创造更好的产品。”石油圈原创，石油圈公众号：oilsns
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