解讀——3D打印進(jìn)軍核行業(yè)

南極熊之前報(bào)道，我國近日在3D打印技術(shù)的核能領(lǐng)域應(yīng)用方面又取得了新的重大進(jìn)展 — 中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院與南方增材科技有限公司合作，通過自主研發(fā)的重型金屬構(gòu)件電熔增材制造（3D打�,。┘夹g(shù)成功制造出了ACP100反應(yīng)堆壓力容器筒體試件,。據(jù)了解，今年9月,，由中國核能行業(yè)協(xié)會(huì)主辦的3D打印技術(shù)在核能行業(yè)應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)在四川召開,。會(huì)上，3D打印技術(shù)方面的專家,，中核集團(tuán),、中廣核集團(tuán)3D打印科研單位以及國際、國內(nèi)知名廠商,，共同分享,、探討了3D打印技術(shù)在核能科研、設(shè)計(jì),、加工制造等方面的應(yīng)用需求和成功案例,。

2015年，為落實(shí)國務(wù)院關(guān)于發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決策部署,，搶抓新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大機(jī)遇,，加快推進(jìn)我國3D打印產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，工信部,、發(fā)改委,、財(cái)政部研究制定了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》。根據(jù)計(jì)劃提出的目標(biāo),，到2016年,，初步建立較為完善的增材制造產(chǎn)業(yè)體系,，整體技術(shù)水平保持與國際同步，在航空航天等直接制造領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平,，在國際市場(chǎng)上占有較大的市場(chǎng)份額,。

3D打印的優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)的加工方式相比較，3D打印在幾個(gè)方面具有較為明顯的優(yōu)勢(shì),。

一,、數(shù)字制造，借助CAD等軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化,，驅(qū)動(dòng)機(jī)器設(shè)備加工制造成器件,，數(shù)字化文件還可借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)模式,。

二,、降維制造，也就是“分層制造,，逐層疊加”,，即把三維結(jié)構(gòu)的物體先分解成二維層狀結(jié)構(gòu)，逐層累加形成三維物品,。因此,，原理上3D打印技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)工藝難以完成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而且制造過程更柔性化,。

三,、直接制造，即對(duì)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、加工工序多,、需要先進(jìn)行分離零件加工然后再組合的部件，3D打印可實(shí)現(xiàn)一次加工完成,。

四,、快速制造，3D打印制造工藝流程短,、全自動(dòng),、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)制造，因此,，制造更快速,、更高效。

目前已經(jīng)發(fā)展起來3D打印的技術(shù)比較多,，命名的方式也各不相同,。從材料來說，有塑料,、金屬等,；從能量形式上來說,，主要有激光和電子束；從材料形態(tài)來說,，主要有粉末和絲材等,。近年來,，3D打印在技術(shù),、設(shè)備、材料等方面的發(fā)展勢(shì)頭都十分迅猛,，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括模具制造（汽車）,、高端零部件（航空零部件）、產(chǎn)品設(shè)計(jì)（電子消費(fèi)品等如蘋果手機(jī)）,、醫(yī)療保�,。ㄑ揽啤⒓僦�,、骨骼）等方面,，其主要特征是不計(jì)成本的設(shè)計(jì)行業(yè)、尖端制造以及一對(duì)一的個(gè)性化服務(wù)方面,，其中汽車行業(yè)應(yīng)用規(guī)模最大,，2014年的統(tǒng)計(jì)顯示其占到全部應(yīng)用市場(chǎng)的31.7%。

在核行業(yè)中也引入了3D打印,，卻面臨比消費(fèi)領(lǐng)域更多的問題,。一方面，無論是電站,、反應(yīng)堆,，還是核燃料組件，其構(gòu)件多是金屬,。由于金屬的熔點(diǎn)比較高,，3D打印涉及到了金屬的固液相變、表面擴(kuò)散以及熱傳導(dǎo)等多種物理過程,，而且還需要考慮生成的晶體組織是否良好,、整個(gè)試件是否均勻、內(nèi)部雜質(zhì)和孔隙的大小,、快速加熱和冷卻引起的應(yīng)力等,。另一方面，核領(lǐng)域中,，構(gòu)件的運(yùn)行工況比較復(fù)雜,，維護(hù)不方便，對(duì)可靠性要求非常高,，而且有的構(gòu)件還必須考慮輻照性能問題,。因此,，在面對(duì)3D打印這樣一個(gè)新事物時(shí)，多數(shù)人還是持保守態(tài)度,。

但無論如何,，3D打印以其快速靈活的特性，終究會(huì)在一定程度上取代切削加工成為一種不可或缺的加工方式之一,。在核行業(yè)內(nèi),，最具應(yīng)用前景的3D打印技術(shù)，如同步送粉激光立體成形（LSF）,、電子束熔絲沉積成形技術(shù)（EBF3）等適用于大型承力結(jié)構(gòu)成形技術(shù),，激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）和電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBM）等適用于小型精密件的成形技術(shù)。隨著研究的進(jìn)一步深入,，必將會(huì)有更多更成熟的技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)際,。

核行業(yè)的3D打印之路

那么，核行業(yè)的3D打印之路應(yīng)當(dāng)怎樣走呢,？應(yīng)用至少要經(jīng)過三個(gè)階段,。

第一個(gè)階段是“形似”。這基本上是當(dāng)前各行業(yè)在運(yùn)用3D打印時(shí)都走過的路,，就是要打印出外觀尺寸與現(xiàn)有部件相近的部件或部件組合,，先解決從無到有的問題。在這一階段中,，用于3D打印的材料,，可以采用現(xiàn)在市面上現(xiàn)成的粉末或絲材。目前,，國內(nèi)主要的核燃料廠已經(jīng)邁出了第一步,，如中核北方核燃料元件有限公司完成了CAP1400型燃料組件的管座樣品打印，中核建中核燃料元件有限公司成功打印出了CF3型燃料組件的下管座樣品及鎳基合金格架樣品,。

3D打印對(duì)于設(shè)計(jì)院所來說,，也是一個(gè)非常得力的幫手。一種新堆型,、新燃料元件,，從設(shè)計(jì)到定型，需要經(jīng)過一系列的論證,、驗(yàn)證過程,，有時(shí)還需要制作模型進(jìn)行試驗(yàn)。拿燃料組件來說,，很多關(guān)鍵部件的新設(shè)計(jì)或改進(jìn),，都需要加工試驗(yàn)件，進(jìn)行熱工水力及其它相關(guān)的試驗(yàn),。當(dāng)前的做法是,，由核燃料廠按照設(shè)計(jì)要求在生產(chǎn)線上進(jìn)行試制,，試制的過程涉及到生產(chǎn)線的設(shè)備、人員等方面的調(diào)配,，有時(shí)還需要研制專用的設(shè)備或工裝,，不但研制周期長(zhǎng)，成本還非常高,。如果采用3D打印的方式進(jìn)行加工,，則可以用較低的成本、較短的時(shí)間獲得試驗(yàn)結(jié)果,，省時(shí)省力,，還便于修改,。

第二個(gè)階段是“神似”,。即在前期打印試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過細(xì)致深入的性能分析,，掌握打印部件的力學(xué)性能,、微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài),、缺陷,，乃至輻照性能等特性。如果這些性能都能夠滿足設(shè)計(jì)技術(shù)條件的要求,，3D打印的部件就可以進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段,。這種實(shí)際應(yīng)用也必然會(huì)經(jīng)歷從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從輔助部件到重要部件,、從堆外到堆內(nèi)這么一個(gè)過程,。今年9月，有報(bào)道稱,，中廣核利用3D打印技術(shù)成功制造出核電站復(fù)雜流道儀表閥閥體,，并證實(shí)了其化學(xué)成分和基礎(chǔ)力學(xué)性能滿足國際核電標(biāo)準(zhǔn)RCC-M的要求，該部件的工程應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)金屬3D打印制造部件在核電領(lǐng)域應(yīng)用“零”的突破,。

在這一階段,，再使用普通的冶金粉末等材料可能就無法滿足要求了，需要針對(duì)核行業(yè)的特點(diǎn),，研制核行業(yè)3D打印專用粉末或絲材,，優(yōu)化其物理及化學(xué)特性，從根本上解決原材料的來源問題,。

第三個(gè)階段,，是實(shí)現(xiàn)完全意義上的3D打印的工程化設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

3D打印目前面臨的最大問題是,，這些打印件沒有生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),，沒有質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),，沒有安全認(rèn)證，屬于“三無”產(chǎn)品,。

要發(fā)展3D打印,，必須依靠標(biāo)準(zhǔn)化的支撐和引領(lǐng)作用。當(dāng)前,，3D打印的標(biāo)準(zhǔn)體系建立尚處于起步階段,。2014年，我國正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC 261增材制造技術(shù)委員會(huì)的成員國,，并于今年成立了全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 562）,，全面啟動(dòng)了3D打印標(biāo)準(zhǔn)化工作。今年9月,，由中國核能行業(yè)協(xié)會(huì)信息化專業(yè)委員會(huì)主辦的3D打印技術(shù)在核能行業(yè)應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)在中核建中核燃料元件有限公司召開,，同時(shí)成立了3D打印標(biāo)準(zhǔn)體系的組織機(jī)構(gòu)，正式啟動(dòng)核行業(yè)3D打印標(biāo)準(zhǔn)體系的策劃工作,。

一套完整的標(biāo)準(zhǔn)體系,，應(yīng)當(dāng)包含設(shè)計(jì)、制造,、檢測(cè),、試驗(yàn)、運(yùn)行,、維護(hù)的全過程,，尤其是質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)體系，必須全面而科學(xué),，以確保3D打印在核方面的應(yīng)用的腳步能夠走得穩(wěn),，走得扎實(shí)，做到設(shè)計(jì)有依據(jù),、檢測(cè)有標(biāo)準(zhǔn),、試驗(yàn)有規(guī)范、評(píng)價(jià)有準(zhǔn)則,。到了這個(gè)階段,，核能行業(yè)不會(huì)再滿足于用3D打印的方式來實(shí)現(xiàn)既有的設(shè)計(jì)，而是基于3D打印的特點(diǎn)進(jìn)行的全過程適應(yīng),。

南極熊認(rèn)為,，3D打印是一劑良藥，但它不能包治百病,，它只有跟傳統(tǒng)制造業(yè)改造與提升相結(jié)合,， 才有更大生存空間。

來源：中國核工業(yè)報(bào)
延伸閱讀：

3D打印進(jìn)入核電領(lǐng)域，中廣核首個(gè)金屬3D打印閥體誕生
我國首個(gè)核反應(yīng)堆壓力容器3D打印試件面世