混合制造在油田应用中的潜质


作者:Stephanie Hendrixson 日期:2017/11/21 来源:MM《现代制造》

PTooling公司是一家加拿大的合同制造商,位于Ontario省的Amherstburg,已经习惯了油田领域的起伏。这个家族企业自1999年开始运营,主要采用DMG MORI的机床和Tongtai立式加工中心来制造用于油田操作的阀门、机床部件和钻头。其生产量不可预测,因为会随着市场需求波动。

为保持自有的灵活性并保证在不稳定的行业环境下生存,PTooling已经在寻找机会将自己与其他“中小型”工厂区别开来。对此,PTooling常常投资技术,如在2008年购买了坐标测量机,帮助工厂在低迷时期提高质量和竞争力。2014年中期,加拿大油田行业又开始衰退,PTooling开始转向增材制造(AM),作为其下一步措施。在2015年10月,PTooling成为北美最先购买和安装DMG MORI生产的LASERTEC 65设备的合约制造商,这是一种混合加工设备,结合了五轴铣削和激光沉积头。

图1  填料箱(一种密封装置,防止钻孔机的抛光金属杆在穿过钻井时,油从钻井中溢出)是得益于混合制造的油田部件的一个例子。传统机械加工结合增材和包层能力使得此类部件重量更轻、更耐用、也更安全

PTooling总裁Marv Fiebig称,购买该机床的一部分动力来源于多元化。自从购买该机床后,PTooling的业务拓展到了注塑成型、压铸以及航空应用等领域。然而,混合制造也加强了PTooling在油田行业的地位。Marv Fiebig分析了PTooling在油田加工方面看到的一些混合制造的机会。本领域的优势包括:

● 生产更灵活。PTooling选择购买一个混合系统而不是专用的增材制造设备,部分原因是由于混合系统的加工能力。该系统是在五轴铣床平台上建造的,可以选择10000r/min或18000 r/min的转速。(PTooling拥有较高速模型,加上一个可选的1000r/min车削台,可以实现全车削能力)。最大尺寸为宽23.6in(1in=25.4mm)、高15.7in、重1300lb(1lb=0.45kg)的工件可以在其工作空间内进行加工。该混合系统的尺寸和能力相当于专用加工中心,使PTooling可以像应用立式加工中心或车削中心一样大批量加工油田零件。事实上,PTooling有时采用混合系统作为备用的加工中心,在没有增材制造作业时使用,也就是说没有闲置的时候。

图2  一个PTooling的员工负责操作车间的NLX 3000 / 1250数控车削中心,这是DMG MORI机床之一。油田部件的螺纹铣削是这些设备的一个常见用途

● 设置步骤少。设备可单独作为铣床或激光沉积系统,也可以在同一零件上应用两种能力,甚至两者交替使用。零件可以在增材制造期间进行加工,最后从设备中产出完整的成件。另外,五轴铣削联合空心和其他复杂几何形状进行增材加工的能力,最终会提高油田部件的性能。

● 在铣削与增材制造之间切换操作很简单。增材头采用标准的HSK-A 63主轴接口,当不使用时将缩回结构腔室的一侧。Marv Fiebig称,由于粉末被送入设备,在激光沉积后不需要进行过多的清理。

● 废料减少。增材制造能力是由一个安装在激光沉积头上的2.5kW激光器驱动的,该激光头负责将金属粉末从料斗送到激光束路径上。粉末会被熔化,然后基本上焊接到下一层上,使得整个零件的结构分层或特征融入现有工件。在后一种情况中,可以在一个小于成件的材料块上进行机械加工,并通过激光沉积加上延伸特征。结果是,材料使用量减少,和传统加工相比,节约了成本。另外,粉末填充方法也可以减少其他类型的增材制造材料的使用和成本。典型的金属增材制造系统将零件固定在金属粉末床上;多余的粉末需要小心地从结构腔室移走,循环再利用。通过直接将粉末填入激光中,LASERTEC 65设备可以更有效地利用粉末。同时,将零件定位在五个轴上的能力也可以节约粉末,因此降低了增材制造技术支撑结构的必要。

图3  PTooling的总裁Marv Fiebig称,混合制造使公司对油田客户来说更具竞争力。混合制造将产生首台DMG MORI的LASERTEC 65设备,将由一个合约制造商安装于北美

● 材料混合使用。油田钻头及其部件暴露于高水平的磨损、酸性气体、水力压裂液体和油田中的其他腐蚀剂中。坚硬的材料可以承受这些条件,如铬镍铁合金和碳化物,但成本较高。因此,PTooling找到了一种降低成本的方式,即使用LASERTEC 65设备,将一层材料覆盖在另一层材料上。除了从昂贵的材料中完整加工出一个零件(如油田钻头)以外,还可以通过混合系统用较便宜的材料(如钢)批量加工(或甚至附加增长)零件,然后在暴露于磨损或腐蚀影响物质的表面上激光包层异金属,降低成本和昂贵金属的数量。Marv Fiebig说:“这意味着如果我们使用传统的钢并通过包层进行覆盖和保护,可以节约80%的零件材料成本。”

● 设计改进。运行油田钻头非常昂贵,在需要变更时,可能需要多个小时才能移除一点。PTooling将混合制造视为改进油田部件性能的一种方式,如通过采用新设计。

图4  金属粉末直接填进激光沉积头,熔化并混合到下一层中。由于此系统可以将材料运输到工作场所的任何位置,LASERTEC 65设备可加工制造长达15.7in、直径可达26.3in的工件,完全可以满足PTooling的油田作业

Marv Fiebig表示:“若将一个地下6000ft(1ft=304.8mm)的钻柱拉上来,可能需要8h。如果每2h需要进行一次(仅花费工具的寿命的2h),将工具从孔中进出的时间要比实际操作的时间长。”这样做的结果是,“如果工具可持续使用20h,则可以节约数天的时间。”

虽然说服客户重新设计用于混合生产零件的成本非常高,但获得的生产力可能足以抵消产生的成本。据Marv Fiebig所说,将传统制造的钻头与使用混合工艺设计和生产钻头的成本相比较,是一种错误的评估方式。增材制造钻头前端的生产成本较高,但生产力和使用寿命提高,在短时间内就能抵消成本。

图5  PTooling看到混合制造的一个关键好处是可以将一种材料应用于另一种材料,节约了成本,或者将材料混合,形成新的定制合金,双材料料斗可以单独或组合地将金属粉末送入激光沉积头

对于这个品质更优的混合制造钻头的外观,PTooling目前无法分享,但正积极与客户合作设计,已经提交了一个针对钻头的专利申请。Marv Fiebig认为,他看到了通过混合制造重新设计其他油田零件的类似机会,如地上井口部件和阀门等。