邁向全新生產之路：油田鑽井設備製造商 APS 採用金屬3D列印技術製造零部件

想像一下，您只需站在屋外，就可以在起居室的牆上鑽一個孔，經過走廊，一直鑽到卧室。這聽起來多麼不可思議。雖然，在家裝施工中並不需要用到如此極端的鑽進手段，但在石油和天然氣行業，如此不可思議的壯舉卻是每天都在上演。

在世界各地的深井中，鑽井機通常需要穿透多個岩層，鑽出深達幾英里的孔，鑽頭往往需要在數萬英尺深的地下，通過複雜的孔幾何結構來確定鑽井孔的走向......如此惡劣的作業環境對油田鑽井設備的性能提出了挑戰。油田鑽井設備製造商APS Technology 公司，在進行鑽井設備零部件研發和製造中使用了金屬3D列印技術，該技術不僅為加工車間節約了時間，還在延長鑽井設備使用壽命方面和提升鑽探效率方面有著出色表現。

增材製造

打造全新鑽井體驗

挑戰：如何提高鑽進設備的耐用性和靈活性？

APS Technology 是全球最先進、最可靠的公司之一，致力於提供滿足各種油田和惡劣環境要求的現場性能和理想設計。公司於 1993 年成立於美國康涅狄格州。

在世界各地，鑽井機通常需要穿透多個岩層，鑽出深達幾英里的孔。鑽頭往往需要在數萬英尺深的地下，通過複雜的孔幾何結構來確定鑽井孔的走向。APS Technology 採用隨鑽測量 (MWD) 與旋轉導向系統 (RSS) 相結合的方式， 可直接安裝在鑽頭下方以實時測量鑽孔位置並控制軌跡。

除了在地下數百英尺切割岩石時遇到的那些不言而喻的困難外， 用於冷卻鑽頭和沖走鑽屑的承壓 流體也會受到嚴重磨蝕並很快流失。這樣會嚴重損壞井下系統和許多其他類型的鑽井設備，甚至能摧毀超級堅硬的鉻鎳鐵合金和 17-4 不鏽鋼。

而對於如今的能源生產商而言， 這些困難僅僅是冰山一角。除了 MWD 系統外，APS 還致力於為鑽井操作人員提供包括導向鑽進電 機、減振器、建模及分析工具和 測井感測器在內的多種智能工 具。此前，APS 已經藉助多種增材製造手段，量身打造用於設計驗證的3D列印塑料零部件，完成了多項持續改進工作。為了製造出能夠在真實環境中使用的複雜金屬零部件，APS 引入了金屬3D列印技術。

鑽頭和旋轉導向系統 (RSS)：APS Technology 公司目前採用 EOS 工業 3D 列印技術生產旋轉 導向系統中的複雜零部件，用以為油氣井有效提供導向。

圖片來源：APS

解決方案：增材製造前所未有的複雜零部件

EOS 為 APS 準備了理想的解決方案： 通過EOSINT M 280系統進行耐用金屬的增材製造。APS 可以藉助這項技術，在短時間內建造出持久耐用的零件。藉助EOSINT M 280系統的 DMLS 金屬3D列印技術， 設計人員可以創建先前無法製造的複雜幾何結構，並且輕鬆應對諸如此類的挑戰。例如，可以創建各種晶格結構和細密的網狀結構，生產的零件相比傳統的同類機加工產品更具空間效率。

整個 MWD 系統：一些內部渦輪機組 件由 EOSINT M 280 系統列印出來。

圖片來源：APS

「我最初來到 APS 時，這個系統在這裡剛剛上馬一個月左右。」 APS Technology 營銷副總裁 Paul Seaton回憶道。「同事們進行了一系列測試打樣和其他工作來熟悉這個系統，但它對於我們所有人而言都是一項全新的技術。EOS 為我們提供了現場培訓和應用建議，使我們得以迅速上手不同零部件原型設計。這些早期的成就使得我們如今的工作更加具有生產導向性。」

其中一個成就是五級渦輪機的應用，用來為導向鑽頭及其機載 MWD 系統提供動力。每台渦輪機都包含若干個採用 DMLS 技術列印的零件，在這項增材製造工藝中，EOSINT M 280 利用大功率 Yb 光纖激光器和精密掃描光學部件將 CAD 模型的極薄切片描記到精細金屬粉末層上。激光器所經之處，每個獨立的金屬微粒熔化，並與鄰近的微粒和下一層融合。 每個切層經激光照射並熔化後， 將在逐漸成型的工件上鋪上一層新的金屬粉末並重複執行上述加工過程，逐層進行，直至加工完成。

每台渦輪機包含數個複雜的端蓋和五套定子與轉子，這些全部由 APS 的 EOSINT M 280 製造完成。 「而現在，我們已經有能力使用不鏽鋼、鉻鎳鐵合金和其他金屬製造這些組件，這對我們而言是一個巨大的優勢，因為我們可以採用3D列印技術製作出真實的零件並應用到真實的環境中。」 Seaton 表示。高級機械工程師Chris Funke 表示，這些組件絕對能夠應對真實環境中的鑽井作業， 包括在該公司自有的 3,000 英尺深的測試井中服役。

成果：節約製造成本和周期，提升設備鑽探效率和耐用性

採用 EOS 技術後，APS 得以將鑽井組件的零部件數量從四個獨立零部件減少到僅僅一個。DMLS 還幫助該公司的大規模製造車間節約了成本，曾經需要花費數天甚至數周才能製造出來的夾具和固定裝置，如今可在無人值守的情況下一夜之間列印完成。除了在減少零部件數量和製造新型組件形狀方面的優勢外，APS 的設計人員還發現，這種技術可以大大縮短產品開發周期。

DMLS 3D列印技術的使用可以為 APS 開闢許多其他思路。相比之前，採用增材製造工藝生產的零件更加接近預期的幾何結構，因此常常可簡化下游加工操作，有些情況下甚至可以完全省去這些操作。此外， 新技術還幫助APS省去了模具和其他一次性加工成本，只需 CAD 模型和金屬粉末就足以製作出來。 「如今我們可以為車間提供 DMLS 零件，此前採用傳統方法以棒料製造同等零件可能需要花費 18 個 小時。」Funke 指出。「零件的列印需要花費22-26個小時，但它擁有的特性卻是傳統方法無法比擬的，例如有機孔。

如今，車間只需花費 3-4 個小時來加工密封面並進一步控制公差特性，即可完成該零件。因此，藉助 DMLS 工藝，我們可以為加工車間節約 14-15 個小時的時間來生產其他產品。DMLS 正在改變我們的整個製造流程，使我們擁有更強大的能力來運營其他項目，甚至承攬其他工作。我們計劃利用 EOSINT M 280 為我們完成更多的工作。」Funke 說道。

關於 EOS

成立於 1989 年，EOS 是金屬和高分子材料工業 3D 列印的全球技術領導者。作為 一家獨立運營的公司，EOS 以先驅和創新者的身份，提供全面的增材製造解決方案。 EOS 所做的一切都基於企業責任和可持續發展的準則，同時兼顧公司內外，信守滿足客戶需求的承諾。

不同於其他公司，EOS 成功實現了粉末材料與激光燒結的完美融合。另外，EOS 的解決方案組合包含工業 3D 列印所涉及的所有關鍵要素，其中系統、材料和工藝參 數都實現了智能化的協調統一，從而確保可靠的、高質量的部件，並推動建立起一 個決定性的競爭優勢。此外，客戶還受益於 EOS 深入且專業的全球服務、應用工程及諮詢服務。

EOS 孕育了一個充滿活力的合作夥伴生態系統，並通過風險投資項目來幫助孵化前景廣闊的創業公司。這種與整個產業價值鏈的有機融合，使更全面的 3D 列印變得可能，從而推動製造業的數字化與自動化進程。

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