在核工業(yè)中，核電站反應(yīng)堆壓力容器、蒸發(fā)反應(yīng)器、鍛造主管道等設(shè)備以及一些零部件的技術(shù)要求高、生產(chǎn)難度大，傳統(tǒng)制造工藝存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、投入大、產(chǎn)品一次合格率較低等問題。
3D打印技術(shù)在小批量產(chǎn)品快速制造、復(fù)雜零部件制造領(lǐng)域頗具優(yōu)勢(shì)，將3D打印技術(shù)應(yīng)用在核工業(yè)中是否有助于解決這些問題？ 3D虎此次為您整理了中國(guó)核工業(yè)企業(yè)在核電廠閥門或管道中的輻射屏蔽材料、核反應(yīng)堆壓力容器以及核燃料元件這三個(gè)領(lǐng)域的3D打印應(yīng)用，通過這些應(yīng)用我們共同來了解一下3D打印技術(shù)在核工業(yè)零部件制造中有哪些值得探索的領(lǐng)域。
將復(fù)雜的任務(wù)交給3D打印
核輻射屏蔽材料的設(shè)計(jì)與3D打印
在核能源系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生各種輻射射線，該輻射射線不僅會(huì)污染環(huán)境，還會(huì)對(duì)人體造成傷害。因此，在核電廠的部分閥門處或管道處需要通過屏蔽材料對(duì)輻射射線進(jìn)行屏蔽，以減少環(huán)境污染和人體傷害。
屏蔽材料的制造主要采用模壓-擠出工藝或直接擠出工藝。但是存在屏蔽材料均勻性、成材性和密實(shí)度較差，易產(chǎn)生氣孔等問題。在屏蔽材料的設(shè)計(jì)方面，由于沒能結(jié)合需屏蔽的物體的形狀進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，存在屏蔽材料不能貼合需屏蔽的物體，屏蔽效果差的問題。在進(jìn)行制造之前的屏蔽設(shè)計(jì)中，需要現(xiàn)場(chǎng)考察，而核電廠分布范圍廣、每一核電廠內(nèi)所需屏蔽的地方多，給屏蔽設(shè)計(jì)帶來了極大的困難。中廣核研究院通過三維掃描、3D打印技術(shù)以及云服務(wù)器在此類屏蔽材料的設(shè)計(jì)與制造中尋求突破的解決方案。
首先通過三維掃描裝置對(duì)需屏蔽的位置進(jìn)行三維掃描，以獲取掃描數(shù)據(jù)，隨后將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)服務(wù)器。云平臺(tái)服務(wù)器通過GeomagicStudio、CopyCAD、Imageware等逆向軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以生成CAD模型文件。核電用戶通過具有權(quán)限的用戶終端訪問云平臺(tái)服務(wù)器并下載CAD模型文件，根據(jù)尺寸精度、粗糙度、打印材料及切片方式將CAD模型文件與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行校核、改進(jìn)。接下來將3D圖紙發(fā)送至與云平臺(tái)相連接的3D打印機(jī)進(jìn)行打印。
使用三維掃描及云平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過3D打印機(jī)進(jìn)行屏蔽材料小批量定制化生產(chǎn)，提高了核電屏蔽設(shè)計(jì)的可靠性、靈活性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，大大縮短了研發(fā)進(jìn)程，降低成本。由于是根據(jù)需要屏蔽材料的位置定制化設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)出的屏蔽材料可與需求部位實(shí)現(xiàn)更好的貼合，使屏蔽材料發(fā)揮出良好的核輻射屏蔽功能。
這種核輻射屏蔽材料的設(shè)計(jì)與制造模式可應(yīng)用于所有已投入運(yùn)行的核電站和在建的核電站中，滿足不同地域核電站的需求。
3D打印一體成型核反應(yīng)堆壓力容器
2015年10月中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院與南方增材科技有限公司，聯(lián)合發(fā)起ACP100反應(yīng)堆壓力容器增材制造（3D打?。╉?xiàng)目。2016年12月，這個(gè)項(xiàng)目的研究成果3D打印反應(yīng)堆壓力容器試件已經(jīng)通過國(guó)家能源領(lǐng)域相關(guān)專家的技術(shù)鑒定。
中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院是中國(guó)唯一集核反應(yīng)堆工程研究、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、運(yùn)行和小批量生產(chǎn)為一體的大型綜合性科研基地，核動(dòng)力院積極致力于核電研發(fā)，培育了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化核電站品牌CP600/CP1000/CPR1000，承擔(dān)著新一代壓水堆核電站ACP100/ACP600/ACP1000及CF系列燃料元件研究開發(fā)、超臨界水冷堆技術(shù)預(yù)先研究等科研項(xiàng)目。
南方增材科技有限公司擁有自主研發(fā)的大型電熔3D打印設(shè)備，能打印直徑達(dá)5.6米，長(zhǎng)度達(dá)9米，重達(dá)300噸的厚壁重型金屬構(gòu)件。該設(shè)備以金屬絲材與輔料為打印材料，在電熔冶金的環(huán)境下，利用高能熱源熔化原料絲材，根據(jù)成形構(gòu)件的分層切片數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)原材料逐層快速激冷凝固堆積，最終獲得超低碳、超細(xì)晶、組織均勻、綜合力學(xué)性能達(dá)到傳統(tǒng)鍛造工藝成形的金屬構(gòu)件，包括反應(yīng)堆壓力容器在內(nèi)的核電大型金屬構(gòu)件。
圖片來源：南方增材
在3D打印過程中，項(xiàng)目雙方經(jīng)過四輪材料試驗(yàn)和兩輪工藝試驗(yàn)，對(duì)材料成分、性能和成型結(jié)構(gòu)方式給出了精準(zhǔn)的技術(shù)要求，使初期材料試驗(yàn)過程中力學(xué)性能強(qiáng)度過高的問題得到解決，為有效避免核輻照后材料出現(xiàn)脆化等問題奠定了基礎(chǔ)，并最終順利打印出了ACP100壓力容器3D打印試件。
采用傳統(tǒng)制造工藝制造反應(yīng)堆壓力容器需要通過萬噸級(jí)重型鍛壓設(shè)備分段制造，然后再焊接在一起。中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院與南方增材使用大型電熔3D打印技術(shù)，可精確地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型金屬構(gòu)件一體成型，為核電裝備的高質(zhì)量、高效率、低成本制造開辟了一條新的道路。經(jīng)過技術(shù)鑒定，這個(gè)3D打印試件的產(chǎn)品性能可達(dá)到甚至部分優(yōu)于鍛件產(chǎn)品。
中國(guó)中核北方核燃料元件的3D打印
核燃料元件制造是集設(shè)計(jì)與加工于一體的高端精密制造，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需多種工序交叉作業(yè)加工才能完成 。
中核北方核燃料元件有限公司（二〇二廠）使用選擇性激光熔化3D打印技術(shù)制造了CAP1400自主化燃料原型組件下管座。
圖片來源：二〇二廠
由西安鉑力特BLT-S300打印
BLT-S300采用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)，通過逐層熔化金屬粉末的制造方式，完成傳統(tǒng)機(jī)械加工無法制造的復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)零件，制備的成形產(chǎn)品擁有致密性好、尺寸精度高的特點(diǎn)。同時(shí)金屬3D打印快速制造的技術(shù)特點(diǎn)，能夠縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)與制造成本，快速、高性能的實(shí)現(xiàn)核燃料元件開發(fā)與制備。
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