中國(guó)核動(dòng)力研究院何戈寧《增材制造推動(dòng)核工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展》

2020年11月29日上午，2020年長(zhǎng)沙網(wǎng)絡(luò)安全·智能制造大會(huì)在湖南長(zhǎng)沙隆重召開。在“中國(guó)（長(zhǎng)沙）增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)應(yīng)用分論壇”上，邀請(qǐng)了增材制造行業(yè)的院士、專家、航空航天、裝備、材料、檢測(cè)等龍頭企業(yè)的代表，共同探討增材制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展的前景及趨勢(shì)，為廣大應(yīng)用企業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈上下游單位未來(lái)的發(fā)展，提供重要的參考方向，南極熊發(fā)現(xiàn)眾多行業(yè)知名大咖蒞臨現(xiàn)場(chǎng)。

來(lái)自中國(guó)核動(dòng)力研究院的何戈寧主任，發(fā)表了題目為《增材制造推動(dòng)核工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展》的主題演講。            

下面是報(bào)告整理：

核能被喻為人類最有希望能夠?qū)崿F(xiàn)未來(lái)的能源之一，也是我們國(guó)家維護(hù)國(guó)家戰(zhàn)略的基石，維護(hù)大國(guó)地位的重要國(guó)防領(lǐng)域標(biāo)志。

我匯報(bào)的主題是：《增材制造賦能核創(chuàng)共進(jìn)》。介紹核能領(lǐng)域增材制造技術(shù)研究的現(xiàn)狀以及展望。

一、單位介紹
我來(lái)自中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，我們?cè)菏菄?guó)家戰(zhàn)略高科技研究設(shè)計(jì)院，被喻為中國(guó)核動(dòng)力的工程搖籃。通過(guò)三次創(chuàng)業(yè)，我們?cè)簭?965年建院，先后建成了三代國(guó)家的核動(dòng)力研發(fā)平臺(tái)，為國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了很多貢獻(xiàn)。

今年對(duì)于核工業(yè)是個(gè)特殊的年份。50年以前，我們國(guó)家在第一艘核潛艇陸上模式堆發(fā)出了中國(guó)核能的第一度電，我們也非常高興自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)，華龍一號(hào)發(fā)出了第三代核電的第一度電。所以今年是個(gè)特別值得記憶的年份。在1958年的時(shí)候我們國(guó)家開始了核潛艇的項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)主席發(fā)出過(guò)豪言壯語(yǔ)：“核潛艇，一萬(wàn)年也要搞出來(lái)”。在1970年8月的時(shí)候，我們國(guó)家第一代潛艇陸上模式堆就正式建成了。

現(xiàn)在我們?cè)阂呀?jīng)開發(fā)了一系列的先進(jìn)的反應(yīng)堆，ACP系列，我們國(guó)家自主三代的反應(yīng)堆，中型堆、小型堆、行波堆、地下核電等等。

我們?cè)诤穗婎I(lǐng)域的拳頭產(chǎn)品是華龍一號(hào)，已經(jīng)正式發(fā)電了，全球范圍內(nèi)唯一一個(gè)按計(jì)劃推薦，沒有拖期的三代核電技術(shù)。


二、現(xiàn)狀與痛點(diǎn)
我們?cè)菏潜容^早開始研究3D打印的，在2015年的時(shí)候已經(jīng)對(duì)ACP 100反應(yīng)堆壓力容器實(shí)現(xiàn)了3D打印制造。3D打印在核能領(lǐng)域有很多探索，2016年的時(shí)候中核建中在宜賓一個(gè)援建廠，也完成了燃料元件的打印，后續(xù)還有很多的嘗試。這些嘗試主要做的工作是用3D打印來(lái)解決快速原型的問題。沒有把設(shè)計(jì)融入進(jìn)去。實(shí)際上到目前為止，核級(jí)的3D打印部件，在中國(guó)國(guó)內(nèi)沒有實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。這當(dāng)然是需要我們進(jìn)一步去推動(dòng)的事情。  

為什么我們起了一個(gè)大早趕了一個(gè)晚集，2015年打印出來(lái)了，為什么沒有應(yīng)用呢？痛點(diǎn)問題有三個(gè)：

• DFAM缺乏：基于3D打印設(shè)計(jì)的缺乏。之前的嘗試是快速原型，有什么打什么。
• 系統(tǒng)性規(guī)劃的缺失：對(duì)于整個(gè)3D打印應(yīng)用的價(jià)值規(guī)劃產(chǎn)業(yè)規(guī)劃都是缺失的，做了一些零敲碎打的工作，很難實(shí)現(xiàn)批量化的應(yīng)用。
• 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃的缺位：核能領(lǐng)域是個(gè)特殊的領(lǐng)域，核安全和傳統(tǒng)的工業(yè)安全相比，對(duì)于國(guó)家、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要性是不一樣的。怎樣能夠建立一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系下來(lái)推進(jìn)3D打印的應(yīng)用，是需要我們重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。
  

我逐個(gè)給大家介紹一下。

第一，DFAM的缺乏。
以換熱器為例子，DFAM的難度在什么地方？都說(shuō)3D打印釋放了設(shè)計(jì)的自由度，讓復(fù)雜的設(shè)計(jì)成為了可能。DFAM難在什么地方呢？有兩個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，常規(guī)設(shè)計(jì)大家都會(huì)，有設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)方法、固定的設(shè)計(jì)套路。第一步要解決的問題如果不完全考慮制造工藝，我們的設(shè)計(jì)是什么樣子？這個(gè)是最難的，跳出所有的框架我們應(yīng)該是什么樣的設(shè)計(jì)。現(xiàn)在炒得比較熱的是正向設(shè)計(jì)，正向設(shè)計(jì)完了以后我們需要一個(gè)什么樣的功能部件，3D打印還是有一些限制的，怎么通過(guò)我們的設(shè)計(jì)把3D打印的限制考慮進(jìn)去。通過(guò)這兩步走才能實(shí)現(xiàn)基于3D打印思維的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@個(gè)是非常難的。我們這兩年在這方面做了很多工作，等下給大家有一個(gè)展示。

第二，缺乏系統(tǒng)性的規(guī)劃。
現(xiàn)在也在做這樣的工作，基于3D打印的價(jià)值臺(tái)階，對(duì)3D打印價(jià)值鏈進(jìn)行梳理，對(duì)整個(gè)布局進(jìn)行梳理，希望有個(gè)系統(tǒng)性的，從更高的角度來(lái)看3D打印在核能的領(lǐng)域的應(yīng)用。

第三，標(biāo)準(zhǔn)。
今年的2月份國(guó)家出臺(tái)了增材的標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航計(jì)劃，把核工業(yè)作為一個(gè)重點(diǎn)推動(dòng)的特色領(lǐng)域，要建立標(biāo)準(zhǔn)，我們也希望在這方面，跟我們的栗博士、盧老師、國(guó)內(nèi)的精英團(tuán)隊(duì)一起，把3D打印在國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)建立起來(lái)，推進(jìn)3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用。

三、國(guó)外的研究情況
看看國(guó)外在核能領(lǐng)域研究到什么程度了，這是今年最重磅的新聞，美國(guó)國(guó)家橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，他們的目前的項(xiàng)目是轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆TCR示范計(jì)劃，他們的目標(biāo)是2023年要建造一個(gè)先進(jìn)的全尺寸的，包括傳感器一體化打印的集成反應(yīng)堆裝置，可以說(shuō)在核能領(lǐng)域拋下了大炸彈，很多領(lǐng)導(dǎo)開始關(guān)注，我們不能掉隊(duì)。

實(shí)際上橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在核能領(lǐng)域研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如核能領(lǐng)域的技術(shù)巨頭。美國(guó)西屋電氣是核能領(lǐng)域最大的巨頭，在2014年開始系統(tǒng)性的布局3D打印。

在DFAM方面他們也做了很多工作，今年他們有個(gè)專利已經(jīng)獲得了授權(quán)，用3D打印對(duì)這個(gè)反應(yīng)堆燃料格架進(jìn)行了重新的設(shè)計(jì)，這方面我們跟盧老師團(tuán)隊(duì)也在做類似的工作，也看到了前景。  

法國(guó)的法馬通在2015年開展了相關(guān)的工作，是法國(guó)核電的巨頭。這是最近的新聞，他們第一階段的輻射檢測(cè)周期試驗(yàn)已經(jīng)完成了，走到了前面。

四、示范項(xiàng)目
我們近期開展的工作情況，先進(jìn)核能發(fā)展的需求，目前海陸空天，可能都會(huì)對(duì)核能應(yīng)用有需求，對(duì)于我們裝備的高效、緊湊、小型提出了前所未有的挑戰(zhàn)。也深刻感受到了傳統(tǒng)制造業(yè)解決這些問題已經(jīng)捉襟見肘，高效、緊湊、小型也正好是3D打印的優(yōu)勢(shì)。我們需要系統(tǒng)性開展DFAM的設(shè)計(jì)，同時(shí)我們選擇了換熱設(shè)備作為代表，希望能夠以這個(gè)點(diǎn)來(lái)個(gè)撬動(dòng)整個(gè)3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用，相關(guān)的工作跟盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)，在他們的幫助下做了很多工作。這個(gè)項(xiàng)目拿到了工信部一條龍的應(yīng)用示范項(xiàng)目。

（圖）這個(gè)是我們過(guò)程中的工藝樣件的試驗(yàn)件。
（圖）這邊是我們做的換熱設(shè)備傳熱試驗(yàn)的照片

我們已經(jīng)基于3D打印的思維完成了模塊化、高效換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)。目前正在打印和試驗(yàn)。與傳統(tǒng)的換熱設(shè)備相比，重量、體積、零部件數(shù)量、制造周期均減小90%以上，因?yàn)橹亓�、體積的減少，制造成本降低50%以上。

（圖）傳熱系數(shù)可以穩(wěn)定達(dá)到1萬(wàn)以上。
（圖）3D打印換熱設(shè)備與傳統(tǒng)換熱設(shè)備的比較，優(yōu)勢(shì)非常的明顯。

我們的項(xiàng)目叫3D打印模塊化高效換熱設(shè)備，是非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，采用的是選區(qū)熔化技術(shù)，但尺寸有限制。尺寸限制和模塊化是一對(duì)兄弟，用模塊化的理念就在現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)的尺寸范圍內(nèi)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的模塊化，可以搭積木式的來(lái)完成換熱器的設(shè)計(jì)，為任何一個(gè)換熱功能，可以非�？斓奶峁�換熱器的解決方案。
布置變得很簡(jiǎn)單了，數(shù)個(gè)數(shù)，建安就像雞蛋殼一樣的，安裝非常的快。運(yùn)維它非常的小，可以拆解做CT檢測(cè)、再安裝，運(yùn)維也變得非常方便。

高效是剛才說(shuō)到的制造效率非常高，運(yùn)行效率也非常高。檢修由于引進(jìn)了模塊化理念，也變得非常的簡(jiǎn)便。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了數(shù)字孿生技術(shù)，把這個(gè)數(shù)字計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合，最后提供一個(gè)非�？焖俚慕鉀Q方案。

這個(gè)是我們舉了兩個(gè)例子，左手邊的模型是現(xiàn)有的工藝上的換熱器，右手邊是模塊化3D打印換熱器外形輪廓用框線圖。質(zhì)量、尺寸、零部件數(shù)量都是有非常大的提升。

目前與國(guó)內(nèi)的技術(shù)相比，跟美國(guó)做換熱器非常有名的做了比較，和他們?cè)谙嗤�量�?jí)，看樣子我們略有優(yōu)勢(shì)。

五、3D打印應(yīng)用的展望
換熱設(shè)備講得比較多，只是我們選擇了一個(gè)翹桿，希望以這個(gè)換熱設(shè)備來(lái)撬動(dòng)整個(gè)3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)我們的梳理，3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常的廣闊，包括用3D打印來(lái)做減隔振、高效泵閥部件的3D打印制造。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)化的一體化設(shè)計(jì)、減重設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3D打印應(yīng)用，燃料組建一些關(guān)鍵功能部件也可以用3D打印來(lái)實(shí)現(xiàn)性能提升，包括仿生設(shè)計(jì)希望引入到核能領(lǐng)域的核能裝備，新材料的研發(fā)，3D打印對(duì)衛(wèi)生材料研發(fā)帶來(lái)了很多可能。我們也希望能夠用增材制造產(chǎn)業(yè)鏈上的各個(gè)優(yōu)秀企業(yè)，包括湖南的優(yōu)秀的云箭、華曙一起深入合作，推進(jìn)3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用。

這個(gè)是今年8月份的新聞，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)把AI技術(shù)引入到增材制造領(lǐng)域了，他們宣傳的是叫用AI技術(shù)來(lái)保證反應(yīng)堆關(guān)鍵部件的核級(jí)質(zhì)量。目前3D打印叫智能制造，但是現(xiàn)階段目前來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化制造，智能還是有欠缺的。在這一方面我們?cè)洪_始著手推進(jìn)這方面的工作，也希望引起大家的重視，同時(shí)也希望跟大家一起來(lái)推進(jìn)，使3D打印真正的實(shí)現(xiàn)智能，把獲取的數(shù)據(jù)怎么能夠用人工智能挖掘、處理，最后反饋回我們的制造過(guò)程或者用于控制我們的質(zhì)量。

德國(guó)也在做跟橡樹嶺同樣的事情，AI技術(shù)在3D打印的應(yīng)用，下一階段是個(gè)重點(diǎn)方向�，F(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化制造，對(duì)于智能制造還需要去擁抱，包括數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈，下一代的數(shù)字化技術(shù)怎么跟3D打印結(jié)合起來(lái)，這是下一階段我們需要重點(diǎn)關(guān)注的。  


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