邬蓉蓉，乐明锋，李宝峰

(1.广西电网有限责任公司电力科学研究院，广西 南宁 530007) (2.广西电网有限责任公司贵港供电局，广西 贵港 537100) (3.广西电网有限责任公司南宁供电局，广西 南宁 530229)

在科技水平不断提高的过程中，制造技术也在不断进步，其中3D打印技术备受重视。3D打印又称为增材制造，是将增材材料变成粉末，将粉末热熔后层层覆盖叠加完成制造，或者利用光照射固化材料，使其接触光照后硬化成型。虽然，电力行业对3D技术的应用研究还比较少，但3D打印技术已在其他领域得到了一定的应用。文献[1]基于3D打印技术进行了核电站主泵试验叶轮制造研究，采用SLM(selective laser melting)技术完成了试验叶轮3D打印模型的设计及成形技术参数的设置,确定了试验叶轮的3D打印工艺，并成功打印出试验叶轮；文献[2]基于骨盆数字化模型的重构流程,使用层间插值算法优化CT断层图像,使骨盆模型的重构精度得到了提高，采用3D打印优化后的三维骨盆模型，并根据3D打印的骨盆模型制造手术导板，辅助手术操作；文献[3]基于四自由度运动学设计了3D打印机器人并联机构，结合机器人的工作空间及特殊位置,对机器人运动轨迹进行优化，得到了3D打印机器人最优结构。

为实现电网设备结构设计及制造的创新，本文在分析了3D打印技术优势的基础上，将其分别用于电网设备复杂结构的优化、待修复电网设备的逆向建模以及开关机构部件原型设计和制造中，验证了3D打印技术在电网设备设计及制造中的适用性。

1 3D打印技术的优势

1)3D打印能降低产品的设计和制造成本。利用多样的打印方式及丰富的材料，根据客户的需求实现产品的小批量生产；能够随时停止生产，改变生产计划，减少资源的浪费。3D打印流程较为简单，与传统流程相比没有繁琐的中间环节，通过计算机网络发送指令就能代替人工完成操作，缩短设计和制造时间，降低生产成本。

2)3D打印能突破传统思维的局限。工业设计是一个较为复杂的过程，不同产品的生产工具及制作工艺不同，对设计师来说，3D打印能够跨越产品的生产环境因素，拓展设计师的思路，激发设计师对于产品的想象力。

3)3D打印能缩短产品的成型时间。在设计过程中，使用3D打印技术结合概念模型的制作，可提高零件制作的精准度，从而提高工业产品的设计效率及质量。3D打印技术能够缩短产品的生产周期，提高其在市场中的竞争力，有效促进企业的发展[4]。

2 基于3D打印的电网设备设计

2.1 低成本快速制造

随着智能电网的不断发展，对传统电力设备提出了改革要求。现代电网设备设计时要求设置大量的功能接口以便于配置智能化电力二次设备，为了保障设备中大功率芯片的散热需求，需要对传统电力设备的结构设计方法进行优化。电网设备外壳的主要成分为高分子聚合物，利用3D打印技术制造电网设备外壳具有造型多样及操作灵活的特点[5]，大多采用分片粘结技术[6]，制作时间较短。采用3D打印技术设计制作的智能电容器外壳如图1所示。

图1 智能电容器外壳

由图1可以看出，智能电容器外壳设置了外部接口、板件支撑等，使操作空间更为合理，安装及维护较为方便。3D打印技术用于电力设备的研发，其研发周期比较短，所用时间不到注塑成型周期的一半。电力设备的制造要充分考虑加工成本及材料成本，成本上万元的注塑成型产品，利用3D打印只需几千元。

2.2 复杂结构的优化

在特高压输电技术不断发展的过程中，不仅要求电力设备具备较高的机械性能，而且还要有较小的产品质量和较低的生产成本。运用3D打印技术对特高压输电设备进行结构优化设计，以实现特高压输电设备的结构优异性。图2为电子设备承力支座优化前后的结构对比。

由图2可以看出，使用同样数量的材料，优化之后的电子设备承力支座结构比较均匀，没有应力集中，承力支座的使用寿命及可靠性得到了进一步的提高[7]。

电网设备多种多样，其运行环境也比较复杂，因而对配网设备的运维检修、优化等需求较高。在电网设备维护及检修过程中，由于电网环境的复杂性，对于已经投入使用的配网设备无法直接进行优化，当设备局部出现损坏时就会作废，导致资源浪费。其中一些具有特殊用途的配件，其采购周期较长，且一次采购的数量较少，采购成本较高，造成维修环节没有可以替换的设备，从而影响电网的稳定运行。引入3D打印技术，可以有效摆脱配件采购周期的限制，及时获取维修配件。在实际运行过程中，设备老化、低精度等都易使供电设备出现故障[8]，利用3D打印技术创建设备3D模型，模拟设备正常运行和故障状态，能有效提高故障的定位精度及速度。

图2 承力支座优化前后结构对比

由于相同的电力设备、配件其损坏的原因、位置和程度有相似之处，若单独创建其3D模型，时间长、成本高，因此在满足生产运行需求尤其是满足电力参数要求的基础上，创建电力设备、配件的3D模型库，便于快速建模修复损伤的设备、配件，降低复杂环境下电网设备的运维成本。

2.3 电网设备修复时的逆向建模

本文采用CCD摄像机、光栅投影设备获得待修复电网设备的相关数据，由计算机对获得的数据进行运算处理，得到待修复电网设备的点云数据，从而得到待修复电网设备的建模参数[9-12]，根据参数建立其3D模型。基于3D打印技术修复电网设备的步骤为：首先通过三维扫描设备，利用离散点坐标获得目标的外形尺寸，利用图像处理系统进行分析和拟合，对待修复的设备逆向建模，得到其三维模型；然后将其三维模型输入3D打印设备，由3D打印设备打印出所需的设备。采用3D打印技术修复的断裂金具如图3所示。传统的修复方法是制作断裂部分的实物，然后与剩余部分焊接，此种修复方法往往在连接处留有缝隙，修复的零件强度不高。采用3D打印技术修复，先通过三维扫描设备根据零件剩余部分获得其整体的相关参数，对零件逆向建模，得到需要修复部分的模型数据，之后由3D打印设备打印出修复的部分，完成零件修补。利用3D打印技术修补后的零件在连接处不存在缝隙，具有较高的连接强度。

图3 基于三维扫描及3D打印的产品修复

3 基于3D打印的开关机构部件快速设计与制造

产品原型设计是指根据产品外观和外形尺寸参数，采用其他材料制作相同的产品样品，用于产品外观测试、装配验证及设计交流[13]。

3.1 开关机构传动部件的设计

图4为某开关机构传动部件，在智能配电网建设中被广泛使用，由于其使用环境比较恶劣，因此在设计组件连接及材料选择过程中，需要全面考虑外部环境对其结构功能、外观形变的影响[14-15]。该传动部件是基于某重大节能项目研发的，研发周期比较短，且各个部件的设计工作需要相互协同。

图4 某开关机构传动部件的3D打印模型

3.2 开关机构传动部件3D打印实现

一般来讲，使用注塑成型方法制作产品，制作周期长且成本比较高。表1对比了注塑及3D打印的开关构件研发成本。由表1可以看出，3D打印具有明显的成本优势。根据常规注塑产品研发的流程，利用机加工及开模注塑方式制作开关手板，机加工需要大量基材，空腔内部的加工难度比较大，需要对零件进行分体加工和拼接，生产周期比较长，人工成本比较高，成品的品质也较低。开模注塑时模具制作时间比较长，并且需要反复试模，周期较长，成本比较高[6]。使用计算机辅助设计及FDM技术协同开发的模式能够缩短研发周期，3天之内就能够进行产品设计和试制，一周之内就能制作出开关手板，实现批量生产，研发周期约为传统研发周期的30%。

表1 注塑及3D打印开关构件的研发成本比较

4 结束语

在电网设备设计过程中使用3D打印技术能够降低产品的研发成本，提高工作效率及质量，为产品设计带来一定的便利。虽然3D打印能够在短时间内完成产品的初步制作，但在投入实际使用前需要对成型件进行再加工，因此后期处理水平的高低对产品最终的质量有较大的影响。如何提升3D打印产品的后期处理水平，是今后电网设备结构设计研究的重点。