不久的將來，人們可以設(shè)想這樣的顛覆性場景：在位于獅山的3D打印車間內(nèi)，特殊的金屬粉末一層一層疊加，最終將逐漸成為直徑數(shù)米、重達(dá)數(shù)百噸的金屬構(gòu)件。而在傳統(tǒng)鍛造工藝中，要制作一件50噸的金屬部件，至少需要180噸鋼錠材料，放入電弧爐進(jìn)行冶煉澆注，還要經(jīng)過萬噸以上機(jī)器的鍛造和熱處理。 

　　佛山民營企業(yè)南風(fēng)股份子公司南方增材科技有限公司(下稱“南方增材”)正在從事這一驚人的項目：開發(fā)金屬3D打印技術(shù)，“打印”可用于核電站的大件金屬構(gòu)件。

　　南方增材負(fù)責(zé)人介紹，相比傳統(tǒng)技藝，這一金屬3D打印的耗時劇減；完全實現(xiàn)數(shù)控化的軌跡控制，產(chǎn)品精密度得以提升；更具顛覆性的是，“打印”過程中，哪里有失誤，可以像“橡皮擦”一樣消除痕跡，重新來過——實現(xiàn)無限可修復(fù)。

　　南方增材斥資1.68億元

　　開發(fā)金屬3D打印技術(shù)

　　在南風(fēng)股份小塘新廠區(qū)的3D打印車間內(nèi)，一座高達(dá)兩層樓、占地約400平方米的機(jī)器矗立在廠房的一角，它正是南方增材即將用于核電領(lǐng)域關(guān)鍵主設(shè)備制造的增材制造裝備。這一裝備是南方增材斥資1.68億元、耗時4年的自主研發(fā)成果，它首次將“重型金屬構(gòu)件電熔精密成型技術(shù)”(下稱“增材制造技術(shù)”)應(yīng)用于核領(lǐng)域，這一技術(shù)廣義上的說法即3D打印。

　　廠房內(nèi)的構(gòu)件成型區(qū)內(nèi)放著三個大小各異的金屬筒體構(gòu)件，形狀中空，構(gòu)件表面質(zhì)地均勻，最大一個直徑達(dá)2米、重達(dá)10噸。這正是重型金屬3D打印技術(shù)“打印”出來的核電部件縮比件。

　　3D打印是近年來最熱門的技術(shù)之一，它的學(xué)術(shù)名稱“增材制造”或許能更好地解釋它的原理。所謂“增材制造”，是與傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造”相對應(yīng)。依據(jù)物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過成型設(shè)備，以材料累加的方式制成實物模型。

　　在3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域，核電尚是一塊處女地。南方增材可成功運用增材制造技術(shù)在重型大型金屬構(gòu)件領(lǐng)域，一次成型地打造出直徑6米、重達(dá)300噸的金屬部件。而今年11月初在上海舉辦的世界著名Inside 3D打印展上陳列的一些3D打印金屬材質(zhì)作品，大多只是小尺寸的機(jī)械零部件。

　　“打造一個大型鍛件要幾百噸鋼材和三年的時間，做完后只要檢驗不合格，幾千萬元就打水漂了。”南方增材董事總經(jīng)理朱志宇說，傳統(tǒng)的鍛造工藝要求高，流程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，需要多套設(shè)備配套完成，導(dǎo)致核電成本居高不下。公司希望能找到一種新的技術(shù)提高成功率、縮短生產(chǎn)周期。于是朱志宇和他的團(tuán)隊通過各種渠道，在國內(nèi)各地尋找技術(shù)合作伙伴。

　　2009年底，朱志宇和他的團(tuán)隊在北京遇到了北京航空航天大學(xué)教授、激光增材制造領(lǐng)域?qū)＜彝跞A明，明確在開發(fā)金屬3D打印技術(shù)上的合作。

　　經(jīng)過上百次實驗后，核心技術(shù)團(tuán)隊在關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，并在實驗室成功做出了物理、化學(xué)性能皆優(yōu)于鍛件的核電重型裝備的金屬構(gòu)件縮比件。

　　“我們在材料、設(shè)備、工藝研發(fā)設(shè)計上，整套流程都擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。我們通過國家專利局檢索了這個領(lǐng)域的所有相關(guān)信息，國內(nèi)外沒有發(fā)現(xiàn)與我們技術(shù)相似的。”朱志宇表示，若按將增材制造技術(shù)應(yīng)用于重型大型金屬構(gòu)件的研發(fā)、生產(chǎn)計，南方增材是全球首家吃螃蟹的企業(yè)。

　　與此同時，佛山3D打印產(chǎn)業(yè)也迎來了新的發(fā)展契機(jī)。11月13日，佛山市副市長王玲在廣州與廣東省科技廳簽署聯(lián)合共建協(xié)議，在佛山共建省級3D打印工程技術(shù)研究開發(fā)中心；建立3D打印產(chǎn)業(yè)基地。佛山市政府將配套劃撥5000萬元專項資金，用于支持以3D打印為主的裝備制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。

　　金屬3D打印技術(shù)蘊藏百億市場

　　佛山制造闖入重工業(yè)藍(lán)海？

　　南風(fēng)股份為何會選擇3D打印？這項技術(shù)將為中國重工業(yè)帶來什么？

　　“核電代表工業(yè)最高領(lǐng)域，如果在核電領(lǐng)域繼續(xù)有所突破，還有什么領(lǐng)域的產(chǎn)品我們不能生產(chǎn)？”朱志宇從事核電業(yè)務(wù)工作已超過20年，“核心裝備國產(chǎn)化”的趨勢明顯，這讓南風(fēng)股份看到了更大的市場。

　　在南方增材總經(jīng)理助理李春華看來，不遠(yuǎn)的將來，金屬增材制造將是佛山重工業(yè)發(fā)展的一次重大突破，對佛山打造萬億裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)具有積極意義。

　　“風(fēng)機(jī)”領(lǐng)域的“天花板”

　　盡管在佛山已經(jīng)有26年歷史，但這家鮮少接受媒體采訪的民營企業(yè)仍充滿神秘感，其所從事的領(lǐng)域與佛山大多數(shù)企業(yè)顯得“格格不入”。

　　2009年，南風(fēng)股份登上創(chuàng)業(yè)板首班車。“這家公司也是目前國內(nèi)通風(fēng)與空氣處理行業(yè)唯一一家取得國家核安全局頒發(fā)的核級風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計制造許可證的企業(yè)。”佛山市金融辦相關(guān)負(fù)責(zé)人當(dāng)時稱，“南風(fēng)股份能列入首批創(chuàng)業(yè)板，主要是高科技含量比較明顯。”

　　據(jù)《中國通風(fēng)及空氣處理行業(yè)研究報告》，目前國內(nèi)該行業(yè)企業(yè)數(shù)量超過一萬，但絕大多數(shù)企業(yè)業(yè)務(wù)局限于普通廠房和民用建筑等低端產(chǎn)品，而南風(fēng)股份專注于核電、地鐵和公路隧道等高端產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，打破了國外壟斷，在這三個細(xì)分市場的市場占有率排名分別為第一位、前兩位和前三位。

　　該負(fù)責(zé)人介紹，在國內(nèi)核電風(fēng)機(jī)設(shè)備領(lǐng)域市場，南風(fēng)股份的設(shè)備占有率已超過70%，但主營風(fēng)機(jī)業(yè)務(wù)受到國家核電發(fā)展的環(huán)境影響，企業(yè)處于一種被動式跟隨狀態(tài)。“有新的工程建設(shè)，我們的業(yè)績就突飛猛進(jìn)；沒有，我們的業(yè)績增速就放緩。”朱志宇說。

　　由于國內(nèi)核電風(fēng)機(jī)設(shè)備領(lǐng)域的市場空間存在“天花板”，再加上風(fēng)機(jī)的制造方面已經(jīng)很難有大的突破，企業(yè)決定尋求新的突破。

　　生產(chǎn)周期：從兩三年到兩三個月

　　目前在國內(nèi)核電站建設(shè)過程中，核心部件的制造技術(shù)仍掌握在國外企業(yè)手中。核電站設(shè)備中，以最核心的部件壓力容器為例，其作用是防止高溫高壓、放射性氣體的腐蝕和沖刷，就像防洪大壩一樣，是核電設(shè)備中安全等級要求最高的部件，一旦出現(xiàn)問題可能導(dǎo)致核泄漏。該部件目前高度依賴進(jìn)口。國內(nèi)雖具備生產(chǎn)能力，但鍛造技術(shù)與發(fā)達(dá)國家存在差距，為提高高端裝備產(chǎn)品合格率，大多數(shù)企業(yè)需要付出高昂的時間和資金成本。

　　飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)以往采用傳統(tǒng)的鍛造和機(jī)械加工等方法，光大型模具的加工就要用一年以上的時間，要動用幾萬噸級的水壓機(jī)，要大量供電，甚至需要建電廠。模具加工出來后，再用它鍛造出一個大型結(jié)構(gòu)件的毛坯，然后繼續(xù)加工各部位的細(xì)節(jié)，等到最后成型，幾乎90%的材料都被切削、浪費。

　　王華明創(chuàng)新了一條截然不同的道路，通過計算機(jī)控制，用激光將合金粉末熔化，一層層堆積起來，“生長”出一個合金部件，以前兩三年才能做好的復(fù)雜的大型零件，現(xiàn)在兩三個月就能完成，而且只需兩三個人操作。

　　“不需模具的制造”讓朱志宇感到震撼，“增材制造技術(shù)能夠打印飛機(jī)的大型構(gòu)件，那能不能打印核電站的重型金屬構(gòu)件？”這一思想碰撞，令王華明感到興奮。在推動核電重工領(lǐng)域的大型設(shè)備國產(chǎn)化上，王華明與公司技術(shù)團(tuán)隊達(dá)成了一致。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　經(jīng)過上百次實驗后，核心技術(shù)團(tuán)隊在關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，并在實驗室成功做出了物理、化學(xué)性能皆優(yōu)于鍛件的核電重型裝備的金屬構(gòu)件縮比件。

　　重工業(yè)發(fā)展的新契機(jī)

　　百萬千瓦級核電機(jī)組常規(guī)島耐熱高強(qiáng)鋼低壓整體轉(zhuǎn)子鍛件是目前世界上所需鋼錠最大、鍛件毛坯重量最大、截面尺寸最大、技術(shù)要求最高的實心鍛件，轉(zhuǎn)子構(gòu)件重量為170噸，其鍛坯制備需600噸級鋼錠，目前世界上只有日本JSW(日本制鋼所)等為數(shù)不多的幾家企業(yè)具備制造能力。重型鍛件制造技術(shù)瓶頸的難以突破，一定程度上嚴(yán)重影響了核電項目的建設(shè)進(jìn)度和增大了設(shè)備的投資，制約了我國核電等重型裝備制造業(yè)的發(fā)展。

    增材制造技術(shù)在核電部件制造上得到突破后，像壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等大量核反應(yīng)堆中的核心部件都能通過增材制造進(jìn)行生產(chǎn)。以核心部件蒸汽發(fā)生器的管板為例，朱志宇稱這一項的市場價值就超過20億美元，再加上核電站核島核心部件，市場價值可達(dá)數(shù)百億元。 

　　隨著增材制造技術(shù)在核電領(lǐng)域的成功應(yīng)用，將為南方增材打開更多全新的市場?；痣姍C(jī)組、水電船舶等行業(yè)重型金屬構(gòu)件的制造，都可能成南方增材的增材制造項目瞄準(zhǔn)新領(lǐng)域。

　　朱志宇表示，在現(xiàn)代工業(yè)中，核電產(chǎn)品要求最為嚴(yán)格，如果在核電行業(yè)能夠獲得承認(rèn)，那么，其它裝備領(lǐng)域，就很容易實現(xiàn)應(yīng)用。

　　“打開這一扇窗后，我們發(fā)現(xiàn)前面是一個可以通達(dá)多領(lǐng)域的大門。我們還可以根據(jù)客戶需要，完成不同構(gòu)件的個性化定制，特別是裝備業(yè)中一些關(guān)鍵的金屬異形件，我們也會嘗試進(jìn)行突破。”李春華稱。

　　他表示，不遠(yuǎn)的將來，金屬增材制造將是佛山重工業(yè)發(fā)展的一次重大突破，對佛山打造萬億裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)具有積極意義。

　　核電出口的中國夢

　　最廣為流傳的說法是，“出口一個核電項目相當(dāng)于出口100萬輛桑塔納轎車”。

　　核電領(lǐng)域是我國高端制造業(yè)的代表，動輒幾百億元的投入使這個市場極具誘惑力。

　　上月，中國國防科技工業(yè)局局長、國家原子能機(jī)構(gòu)主任許達(dá)哲在“慶祝中國加入國際原子能機(jī)構(gòu)30周年”研討會上表示，中國將穩(wěn)步推進(jìn)核電建設(shè)，“到2020年，中國在運核電機(jī)組將達(dá)到5800萬千瓦。”

　　目前，核電站的建設(shè)周期是60個月，引入增材制造技術(shù)制造重型金屬構(gòu)件，整個周期可以壓縮到50個月。

　　中國核電出口是與日本、俄羅斯、法國競爭，核電站出口靠什么？“一個是價格能不能更便宜，另一個是建設(shè)周期能不能更短，在核電站的建設(shè)中，時間就是金錢，核電站建設(shè)需要上百億的資金投入，如果建設(shè)周期能縮短，早一天發(fā)電就能早一天收益。” 朱志宇稱，以前發(fā)展核電站的瓶頸是造價高，因而電價也高，現(xiàn)在壓縮周期后電價會比火力發(fā)電低；另外，這個新技術(shù)的應(yīng)用，也提升了產(chǎn)品的性能，安全等級也提高。

　　■技術(shù)破譯

　　“金屬墨水”

　　如何變?yōu)楹穗娫O(shè)備？

　　幾乎每個人的童年游戲中，都有3D打印的影子：沙灘上捧起細(xì)沙，然后小心堆成想象中的城堡。

　　與此相似，以塑料顆粒為材料的3D打印，對大眾來說已經(jīng)并不陌生，在建好數(shù)學(xué)模型后，從飲水杯到小公仔，都可以在探頭的不斷運動中逐漸堆砌成型。然而，從幾百克的塑料公仔到幾百噸的金屬構(gòu)件，中間卻相隔著天與地的距離。

　　南方增材描述重型金屬3D打印技術(shù)是一種“原理全新的重型金屬構(gòu)件短流程、綠色、精密、數(shù)字化制造新技術(shù)”。

　　如果南方增材的技術(shù)愿景能夠完全實現(xiàn)，那么在這幾個形容詞背后，可能蘊藏著整個重工業(yè)生產(chǎn)方式的顛覆：人們將可以精確操控大型金屬鍛件每一個部位的生產(chǎn)，就像用磚蓋房子一樣，精確到每一塊磚。

　　尋找不同尋常的“金屬墨水”

　　從金屬制造和加工業(yè)來說，3D打印基本原理是將零件數(shù)字化模型進(jìn)行空間網(wǎng)格化，通過像素化分解成為一個個空間點陣，然后利用金屬微量熔融或燒結(jié)的沉積技術(shù)，將零件一層層堆積而成。

　　業(yè)內(nèi)人士將3D打印的過程比喻成蓋房子：“一層層往上壘磚砌墻，只不過用的不是方磚水泥，而是工程塑料、粉末、尼龍、光敏樹脂甚至是金屬、陶瓷等不同的材料。”

　　那么，南方增材用的“墨水”是什么？

　　李春華介紹，南方增材的“房子”，即在核電廠的重型金屬構(gòu)件。“房子”的基礎(chǔ)的材料是鋼，與王華明此前在飛機(jī)大型構(gòu)件使用“鈦合金”，材料是完全不同的。技術(shù)團(tuán)隊必須解決“墨水”的問題。

　　3D打印與傳統(tǒng)制造的生產(chǎn)原理全然不同，材料首先要求是粉末狀或者絲狀；其次，材料的晶體生長方向要可控制，形成原子或者分子規(guī)則排列的固體，一層一層向上疊加，對固化反應(yīng)速度也有較高的要求；最后，打印形成的產(chǎn)品，要實現(xiàn)與傳統(tǒng)技術(shù)造出來的“房子”高致密度、高性能等物理指標(biāo)看齊，這是關(guān)鍵所在。

　　“在材料研發(fā)上，技術(shù)團(tuán)隊投入了很長時間與精力，經(jīng)歷了多次試驗，而且檢驗過程很長，每一步調(diào)整都花了很多時間，完全是自主創(chuàng)新。”李春華說。最終，南方增材選用合金鋼材、絲材作為原材料，確定了材料配方，打出金屬大房子——“重型金屬構(gòu)件”。

　　核電站建設(shè)周期可快10個月

　　相比起傳統(tǒng)鑄造工藝，增材制造技術(shù)的優(yōu)勢在于“輕裝備”，只要一臺3D打印機(jī)，一道高溫電熔的“打印”工序即可見成品。

　　而在傳統(tǒng)鍛造工藝中，如果要制作一件50噸的核電部件，至少需要180噸的鋼錠材料，放入200噸以上的電弧爐進(jìn)行冶煉澆注，還要經(jīng)過萬噸以上機(jī)器的鍛造和熱處理，多達(dá)十幾道工序，需要耗時6個月以上。

　　李春華說，設(shè)備和工序的減少帶來的是速度的高速提升。制作同樣50噸的核電部件，增材制造僅需要75噸金屬粉末和線材，材料消耗是原來的一半不到；在時間上，增材制造打印機(jī)現(xiàn)在的速度已經(jīng)能達(dá)到每24小時打印10噸，不用一個月即可完成。

　　目前核電站的建設(shè)周期是60個月，運用增材制造技術(shù)后，整個周期可以壓縮到50個月。

　　“房子”的大小不同，蓋房子的技術(shù)也有差異。金屬3D打印目前應(yīng)用最成熟的是航空領(lǐng)域，通過激光燒結(jié)和激光熔化技術(shù)來“打印”飛機(jī)等高端產(chǎn)品上的關(guān)鍵金屬零件，而南方增材使用的則是多種高溫電熔技術(shù)。研發(fā)初期，朱志宇說也曾采用激光技術(shù)進(jìn)行實驗，但這種技術(shù)并不適用于重型裝備，“性能雖好，但速度太慢。”

　　要“打印”一座大房子，南方增材選擇了“一次成型”。“通過設(shè)備直接‘打印’出金屬構(gòu)件。”李春華介紹，通過3D打印機(jī)逐層“打印”逐層堆積，產(chǎn)品后續(xù)只需進(jìn)行特殊熱處理和小余量的機(jī)械加工。這一方式在時間上也贏得優(yōu)勢，“我們的效率是最快的”。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　無限可修復(fù)：成品率提高

　　“3D打印就是逐層向上疊，整個過程中，材料成分都一樣，因此，整件產(chǎn)品都非常均勻，高精密度也因此鑄成。”李春華介紹。而傳統(tǒng)的鍛造工藝就像拉面條一樣，需要反復(fù)搓揉和擠壓、鍛打，生產(chǎn)過程中可能會出現(xiàn)缺陷，越接近中心部分，部件缺陷越容易出現(xiàn)，而一旦部件的芯部出現(xiàn)問題，整個產(chǎn)品就可能報廢。

　　他介紹道，增材制造的另一個突出優(yōu)勢是它的無限可修復(fù)性。在生產(chǎn)過程中通過超聲波檢測，一旦產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)問題，即可進(jìn)行修補(bǔ)。由于增材制造的生產(chǎn)過程是一層一層堆積，能保證每一部分的精密程度相同，成品的廢品率低。

　　合格率的提高，核電站建設(shè)周期的壓縮，意味著核電造價的降低。朱志宇估計，未來核電成本將比火力發(fā)電更低，“一項技術(shù)的應(yīng)用可以使一個傳統(tǒng)行業(yè)成本大大降低。”