3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，是有別于減材制造(如切削加工)及等材制造(如鑄造、粉末冶金)的一種全新的快速成型技術(shù)，是計(jì)算機(jī)、精密機(jī)械、高能束流、材料等多種學(xué)科在加工工藝上的集成，被英國(guó)著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》描述為全球第三次工業(yè)革命中一項(xiàng)具有代表性的技術(shù)，美國(guó)《時(shí)代》周刊也將之列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”之一。
2015年，為落實(shí)國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)際同步，在航空航天等直接制造領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在國(guó)際市場(chǎng)上占有較大的市場(chǎng)份額。
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(guò)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(lái)3D打印的技術(shù)比較多，命名的方式也各不相同。從材料來(lái)說(shuō)，有塑料、金屬等;從能量形式上來(lái)說(shuō)，主要有激光和電子束;從材料形態(tài)來(lái)說(shuō)，主要有粉末和絲材等。近年來(lái)，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)療保健(牙科、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(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(wèn)題。一方面，無(wú)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(guò)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(wèn)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(wú)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。
那么，核行業(yè)的3D打印之路應(yīng)當(dāng)怎樣走呢?筆者認(rèn)為，應(yīng)用至少要經(jīng)過(guò)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(guò)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(wú)到有的問(wèn)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(guó)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(lái)說(shuō)，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(guò)一系列的論證、驗(yàn)證過(guò)程，有時(shí)還需要制作模型進(jìn)行試驗(yàn)。拿燃料組件來(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)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(guó)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(wú)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(lái)源問(wèn)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(wèn)題是，這些打印件沒(méi)有生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有安全認(rèn)證，屬于“三無(wú)”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(guó)正式成為國(guó)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(guó)，并于今年成立了全國(guó)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(guó)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(kāi)，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(guò)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(lái)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(guò)程適應(yīng)。
但有一點(diǎn)必須要清醒認(rèn)識(shí)到，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。
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