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。虽然，在家装施工中并不需要用到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。
在世界各地的深井中，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……如此恶劣的作业环境对油田钻井设备的性能提出了挑战。油田钻井设备制造商APS Technology 公司，在进行钻井设备零部件研发和制造中使用了金属3D打印技术，该技术不仅为加工车间节约了时间，还在延长钻井设备使用寿命方面和提升钻探效率方面有着出色表现。
本期，3D科学谷就结合APS Technology公司通过EOS DMLS金属3D打印系统制造钻井设备零部件的案例，与谷友共同了解增材制造技术为钻井设备制造商及石油、天然气行业的用户创造了哪些价值。
增材制造打造全新钻井体验
挑战：如何提高钻进设备的耐用性和灵活性？
APS Technology 是全球最先进、最可靠的公司之一，致力于提供满足各种油田和恶劣环境要求的现场性能和理想设计。公司于 1993 年成立于美国康涅狄格州。
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。APS Technology 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，量身打造用于设计验证的3D打印塑料零部件，完成了多项持续改进工作。为了制造出能够在真实环境中使用的复杂金属零部件，APS 引入了金属3D打印技术。
钻头和旋转导向系统 (RSS)：APS Technology 公司目前采用 EOS 工业 3D 打印技术生产旋转 导向系统中的复杂零部件，用以为油气井有效提供导向。
图片来源：APS
解决方案：增材制造前所未有的复杂零部件
EOS 为 APS 准备了理想的解决方案： 通过EOSINT M 280系统进行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。借助EOSINT M 280系统的 DMLS 金属3D打印技术， 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。
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
“我最初来到 APS 时，这个系统在这里刚刚上马一个月左右。” APS Technology 营销副总裁 Paul 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 技术打印的零件，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：节约制造成本和周期，提升设备钻探效率和耐用性
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 3D打印技术的使用可以为 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。
关于 EOS
成立于 1989 年，EOS 是金属和高分子材料工业 3D 打印的全球技术领导者。作为 一家独立运营的公司，EOS 以先驱和创新者的身份，提供全面的增材制造解决方案。 EOS 所做的一切都基于企业责任和可持续发展的准则，同时兼顾公司内外，信守满足客户需求的承诺。
不同于其他公司，EOS 成功实现了粉末材料与激光烧结的完美融合。另外，EOS 的解决方案组合包含工业 3D 打印所涉及的所有关键要素，其中系统、材料和工艺参 数都实现了智能化的协调统一，从而确保可靠的、高质量的部件，并推动建立起一 个决定性的竞争优势。此外，客户还受益于 EOS 深入且专业的全球服务、应用工程及咨询服务。
EOS 孕育了一个充满活力的合作伙伴生态系统，并通过风险投资项目来帮助孵化前景广阔的创业公司。这种与整个产业价值链的有机融合，使更全面的 3D 打印变得可能，从而推动制造业的数字化与自动化进程。
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