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打印）技術(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)會主辦的3D打印技術(shù)在核能行業(yè)應(yīng)用技術(shù)交流會在四川召開。會上，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，在國際市場上占有較大的市場份額。

3D打印的優(yōu)勢
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。

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�、假肢、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，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)用也必然會經(jīng)歷從簡單到復(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（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)會信息化專業(yè)委員會主辦的3D打印技術(shù)在核能行業(yè)應(yīng)用技術(shù)交流會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、試驗(yàn)、運(yùn)行、維護(hù)的全過程，尤其是質(zhì)量技術(shù)評價(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)、檢測有標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)有規(guī)范、評價(jià)有準(zhǔn)則。到了這個(gè)階段，核能行業(yè)不會再滿足于用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