解讀——3D打印進軍核行業(yè)

南極熊之前報道，我國近日在3D打印技術的核能領域應用方面又取得了新的重大進展 — 中國核動力研究設計院與南方增材科技有限公司合作，通過自主研發(fā)的重型金屬構件電熔增材制造（3D打�。┘夹g成功制造出了ACP100反應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打印技術在核能行業(yè)應用技術交流會在四川召開。會上，3D打印技術方面的專家，中核集團、中廣核集團3D打印科研單位以及國際、國內知名廠商，共同分享、探討了3D打印技術在核能科研、設計、加工制造等方面的應用需求和成功案例。

2015年，為落實國務院關于發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的決策部署，搶抓新一輪科技革命和產業(yè)變革的重大機遇，加快推進我國3D打印產業(yè)健康有序發(fā)展，工信部、發(fā)改委、財政部研究制定了《國家增材制造產業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》。根據(jù)計劃提出的目標，到2016年，初步建立較為完善的增材制造產業(yè)體系，整體技術水平保持與國際同步，在航空航天等直接制造領域達到國際先進水平，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等軟件將產品結構數(shù)字化，驅動機器設備加工制造成器件，數(shù)字化文件還可借助網絡進行傳遞，實現(xiàn)異地分散化制造的生產模式。

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

三、直接制造，即對一些結構復雜、加工工序多、需要先進行分離零件加工然后再組合的部件，3D打印可實現(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、可實現(xiàn)現(xiàn)場制造，因此，制造更快速、更高效。

目前已經發(fā)展起來3D打印的技術比較多，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、設備、材料等方面的發(fā)展勢頭都十分迅猛，其主要應用領域包括模具制造（汽車）、高端零部件（航空零部件）、產品設計（電子消費品等如蘋果手機）、醫(yī)療保�。ㄑ揽�、假肢、骨骼）等方面，其主要特征是不計成本的設計行業(yè)、尖端制造以及一對一的個性化服務方面，其中汽車行業(yè)應用規(guī)模最大，2014年的統(tǒng)計顯示其占到全部應用市場的31.7%。

在核行業(yè)中也引入了3D打印，卻面臨比消費領域更多的問題。一方面，無論是電站、反應堆，還是核燃料組件，其構件多是金屬。由于金屬的熔點比較高，3D打印涉及到了金屬的固液相變、表面擴散以及熱傳導等多種物理過程，而且還需要考慮生成的晶體組織是否良好、整個試件是否均勻、內部雜質和孔隙的大小、快速加熱和冷卻引起的應力等。另一方面，核領域中，構件的運行工況比較復雜，維護不方便，對可靠性要求非常高，而且有的構件還必須考慮輻照性能問題。因此，在面對3D打印這樣一個新事物時，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，最具應用前景的3D打印技術，如同步送粉激光立體成形（LSF）、電子束熔絲沉積成形技術（EBF3）等適用于大型承力結構成形技術，激光選區(qū)熔化技術（SLM）和電子束選區(qū)熔化技術（EBM）等適用于小型精密件的成形技術。隨著研究的進一步深入，必將會有更多更成熟的技術應用于工程實際。

核行業(yè)的3D打印之路

那么，核行業(yè)的3D打印之路應當怎樣走呢？應用至少要經過三個階段。

第一個階段是“形似”。這基本上是當前各行業(yè)在運用3D打印時都走過的路，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，國內主要的核燃料廠已經邁出了第一步，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打印對于設計院所來說，也是一個非常得力的幫手。一種新堆型、新燃料元件，從設計到定型，需要經過一系列的論證、驗證過程，有時還需要制作模型進行試驗。拿燃料組件來說，很多關鍵部件的新設計或改進，都需要加工試驗件，進行熱工水力及其它相關的試驗。當前的做法是，由核燃料廠按照設計要求在生產線上進行試制，試制的過程涉及到生產線的設備、人員等方面的調配，有時還需要研制專用的設備或工裝，不但研制周期長，成本還非常高。如果采用3D打印的方式進行加工，則可以用較低的成本、較短的時間獲得試驗結果，省時省力，還便于修改。

第二個階段是“神似”。即在前期打印試驗的基礎上，通過細致深入的性能分析，掌握打印部件的力學性能、微觀結構、應力狀態(tài)、缺陷，乃至輻照性能等特性。如果這些性能都能夠滿足設計技術條件的要求，3D打印的部件就可以進入到實際應用階段。這種實際應用也必然會經歷從簡單到復雜、從輔助部件到重要部件、從堆外到堆內這么一個過程。今年9月，有報道稱，中廣核利用3D打印技術成功制造出核電站復雜流道儀表閥閥體，并證實了其化學成分和基礎力學性能滿足國際核電標準RCC-M的要求，該部件的工程應用將實現(xiàn)金屬3D打印制造部件在核電領域應用“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，研制核行業(yè)3D打印專用粉末或絲材，優(yōu)化其物理及化學特性，從根本上解決原材料的來源問題。

第三個階段，是實現(xiàn)完全意義上的3D打印的工程化設計和應用。

3D打印目前面臨的最大問題是，這些打印件沒有生產標準，沒有質量檢測標準，沒有安全認證，屬于“三無”產品。

要發(fā)展3D打印，必須依靠標準化的支撐和引領作用。當前，3D打印的標準體系建立尚處于起步階段。2014年，我國正式成為國際標準化組織ISO/TC 261增材制造技術委員會的成員國，并于今年成立了全國增材制造標準化技術委員會（SAC/TC 562），全面啟動了3D打印標準化工作。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打印技術在核能行業(yè)應用技術交流會在中核建中核燃料元件有限公司召開，同時成立了3D打印標準體系的組織機構，正式啟動核行業(yè)3D打印標準體系的策劃工作。

一套完整的標準體系，應當包含設計、制造、檢測、試驗、運行、維護的全過程，尤其是質量技術評價體系，必須全面而科學，以確保3D打印在核方面的應用的腳步能夠走得穩(wěn)，走得扎實，做到設計有依據(jù)、檢測有標準、試驗有規(guī)范、評價有準則。到了這個階段，核能行業(yè)不會再滿足于用3D打印的方式來實現(xiàn)既有的設計，而是基于3D打印的特點進行的全過程適應。

南極熊認為，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)改造與提升相結合， 才有更大生存空間。

來源：中國核工業(yè)報
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