“中國打印”首個核電領(lǐng)域訂單，3D打印行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景分析[圖]

    “這是我們爭取到的首個核電領(lǐng)域訂單，我們非常珍惜。雖然遇上疫情，但團隊科研工作一刻也沒有停，現(xiàn)在全員復工，加足馬力生產(chǎn)，年前積壓的訂單加上現(xiàn)在的新訂單，今年產(chǎn)能可達5000萬元左右。”4月24日，金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)發(fā)明人、天昱智造首席科學家張海鷗教授談及接下來的工作，信心滿滿。

    在上月公布的2020年度國家科學技術(shù)獎受理項目公示名單中，“大型復雜高端零件微鑄鍛同步超短流程制造技術(shù)與裝備”(金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù))被提名為國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。湖北省科技廳提名意見描述：“該重大原創(chuàng)性成果，有力支撐我國高端裝備自主創(chuàng)新，引領(lǐng)短流程制造技術(shù)革命和傳統(tǒng)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級。”

    大國重器之需，容不得半點閃失

    疫情期間，科研團隊并沒有停下手中的活，2月1日起就開啟線上辦公。從2月28日得知某核電公司招標公告，到充分討論評估，決定準備標書應(yīng)標，再到3月25日開標，4月7日中標，這一個多月的經(jīng)歷讓團隊成員刻骨銘心。

    此前，這一技術(shù)主要在大型復雜整體高端構(gòu)件制造上廣泛應(yīng)用，例如航空航天、船舶海工，這次中標是在核電領(lǐng)域的突破：利用金屬3D打印技術(shù)解決某核電站現(xiàn)場部分非核級設(shè)備備件無法及時采購，以及異形備件、專用工器具加工困難等問題，從而保障現(xiàn)場設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

    核電是高效、清潔、安全和經(jīng)濟的能源，具有資源消耗少、環(huán)境影響小和供應(yīng)能力強等許多優(yōu)點。發(fā)展核電是我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展和人民生活水平不斷提高的需要，也是優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染和保證能源安全的需要。我國是世界上少數(shù)擁有比較完整核工業(yè)體系的國家之一，一直有序、積極的推進核電的應(yīng)用。但2011年受日本福島核電事件的影響，我國核電工程建設(shè)出現(xiàn)滯緩，投資規(guī)模出現(xiàn)下降。

    我國核電站主要由三大系統(tǒng)構(gòu)成：核島、常規(guī)島及輔助系統(tǒng)。核島是整個核電站的核心，負責將核能轉(zhuǎn)化為熱能，是核電站所有設(shè)備中工藝最復雜、投入成本最高的部分。常規(guī)島利用蒸汽推動汽輪機帶動發(fā)動機發(fā)電。輔助系統(tǒng)（BOP）主要包括數(shù)字化控制系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)，保障核電站平穩(wěn)運行。

    一般而言，核電站投資中設(shè)備、基建和其他投資的比例分別為50%、40%和10%，設(shè)備投資占比近半成。

核電站投資分布

核電設(shè)備投資分布

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    3月27日，為保證國防重大項目如期完成，在武漢未完全“解封”時，張海鷗研發(fā)團隊提前返回武漢天昱智造基地，開啟復工復產(chǎn)工作。

    生產(chǎn)廠房里，弧光閃爍、機器轟鳴。一個個復雜金屬零件結(jié)合獨特微鑄鍛銑工藝，邊打印邊加工，猶如一件件藝術(shù)品誕生在生產(chǎn)線上。“我們通過在線采集光、電、熱、力、聲等全方位信號數(shù)據(jù)，并自寫算法建模分析進行穩(wěn)定性監(jiān)測與缺陷判定，實現(xiàn)邊鑄邊鍛、鑄鍛同步、形性同控，從而確保增材制造鍛件的高可靠性與穩(wěn)定性。”團隊博士生王湘平與符友恒介紹，鑄鍛銑一體化的制造過程必須做到極致嚴謹，弧光跳動稍有異常甚至成形聲音不對，都會對鑄鍛形性造成影響。“這些高端零件都是應(yīng)用于航空航天、鐵路船舶等領(lǐng)域的大國重器，來不得半點閃失！”

    研發(fā)十七年，潛心“中國打印”

    4月16日，一場別開生面的科學家網(wǎng)上直播吸引了上萬人圍觀熱議。張海鷗教授作為“主播”，介紹了金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)的研發(fā)過程和現(xiàn)狀。來自國內(nèi)知名高校的教授學者、航空航天等高端裝備制造專家、全國3D打印行業(yè)愛好者逾1.3萬人次參與交流互動。

    增材制造(又稱3D打印)是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術(shù)，將對傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合產(chǎn)生深刻影響，是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)。

    3D打印的工作原理是以計算機三維設(shè)計模型為藍本，通過軟件將其離散分解成若干層平面切片，由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、熱熔噴嘴等方式將材料進行逐層堆積黏結(jié)，疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。

    近年來，隨著3D打印研發(fā)技術(shù)的不斷突破，3D打印已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、建筑、汽車等領(lǐng)域，并不斷取得突破性進展。第一代高通量集成化生物3D打印機的成功研制，不僅推進了3D打印醫(yī)療器械、人工組織器官的臨床轉(zhuǎn)化進程，也為3D打印技術(shù)的深化應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

    目前，中國的3D打印應(yīng)用主要集中在家電及電子消費品、模具檢測、醫(yī)療及牙科正畸、汽車及其他交通工具、航空航天等領(lǐng)域。

    從國內(nèi)外3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域來看，近兩年國外各領(lǐng)域逐漸增強3D打印技術(shù)的應(yīng)用，逐漸實現(xiàn)了在航空、醫(yī)療和建筑領(lǐng)域的應(yīng)用；相比于國外3D打印技術(shù)的應(yīng)用，我國3D打印更多的實現(xiàn)了在航空和生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，但是其應(yīng)用多以行業(yè)應(yīng)用的模型為主。未來，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，各領(lǐng)域?qū)⒅饾u深化對該技術(shù)的應(yīng)用，并且不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

國外3D打印主要領(lǐng)域應(yīng)用

國內(nèi)3D打印主要領(lǐng)域應(yīng)用

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    3D打印機需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國防、醫(yī)療設(shè)備、高科技、教育業(yè)以及制造業(yè)。目前，應(yīng)用領(lǐng)域排名前三的是工業(yè)機械、航空航天和汽車，分別占市場份額的20.0%、16.6%和13.8%。

3D打印產(chǎn)業(yè)應(yīng)用行業(yè)占比

    傳統(tǒng)機械制造中，澆鑄后的金屬材料得通過鍛造解決成型問題，由于對超大鍛機過度依賴，導致機械制作投資大、成本高且制作流程長、能耗巨大并難以制作梯度功能材料零件。

    常規(guī)金屬3D打印技術(shù)同樣存在致命缺陷：綜合力學性能不及鍛件，冶金質(zhì)量難以控制，設(shè)備成本和制造成本較高。

    在直播中，張海鷗教授與團隊成員回憶了攻克3D打印傳統(tǒng)技術(shù)難題的艱辛歷程——

    1998年，張海鷗和妻子王桂蘭從日本東京大學完成學業(yè)后回國，一起任教于華中科技大學。家離實驗室很近，用張海鷗的話說就是“700米，1300步”。即便這么近，他們還是覺得耽誤時間，索性搬來一張行軍床，困了就在實驗室里躺一躺。“后來，與學生們在破舊廠房度過了數(shù)不清的日日夜夜。印象最深的是夏天，炙熱的等離子弧灼烤著臉頰，眼睛刺得睜不開、皮膚火辣辣地疼，全身奇癢、蛻皮……”

    潛心打磨終有成。歷經(jīng)17年研發(fā)，團隊開發(fā)出全球首創(chuàng)的多自由度協(xié)同柔性變胞輕型緊湊裝備，短流程制造出優(yōu)異疲勞壽命的大型復雜鍛件，完成了內(nèi)燃機過渡段等全系列微鑄鍛產(chǎn)品打印裝備開發(fā)。目前，產(chǎn)品已應(yīng)用于大型飛機、航空發(fā)動機、燃氣輪機、航天、船舶、先進軌道交通等多個大國重器的裝備制造領(lǐng)域。

    “原創(chuàng)的金屬3D打印技術(shù)是中國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的推進器。我期待，不僅是中國的大飛機、大船舶能夠?qū)崿F(xiàn)‘中國打印’，其他國家的高端裝備也能刻上‘中國打印’的烙??！”

    中國3D打印產(chǎn)業(yè)前景分析

    1.產(chǎn)業(yè)將持續(xù)高速增長

    預計未來十年，全球3D打印產(chǎn)業(yè)將仍處于高速增長期，預測2020年全球增材制造產(chǎn)值將達289億美元；而中國在不斷突破技術(shù)壁壘的過程中，產(chǎn)業(yè)持續(xù)增長，進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化時期。

    2.工業(yè)3D打印將成為主流方向

    在航空航天、汽車、航海、核工業(yè)以及醫(yī)療器械領(lǐng)域?qū)饘?D打印的需求旺盛，應(yīng)用端呈現(xiàn)快速擴展趨勢。

    3.應(yīng)用深度和廣度持續(xù)擴展

    未來，3D打印技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從簡單的概念模型向功能部件直接制造方向發(fā)展。例如在生物醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印從"非活體"打印逐步進階到"活體"打印。