核工业的3D打印之路

点击量:609 发布时间:2017-05-03 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
 
3D打印技术,又称增材制造(Additive Manufacturing)技术,是有别于减材制造(如切削加工)及等材制造(如铸造、粉末冶金)的一种全新的快速成型技术,是计算机、精密机械、高能束流、材料等多种学科在加工工艺上的集成,被英国著名杂志《经济学人》描述为全球第三次工业革命中一项具有代表性的技术,美国《时代》周刊也将之列为“美国十大增长最快的工业”之一。
 
2015年,为落实国务院关于发展战略性新兴产业的决策部署,抢抓新一轮科技革命和产业变革的重大机遇,加快推进我国3D打印产业健康有序发展,工信部、发改委、财政部研究制定了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》。根据计划提出的目标,到2016年,初步建立较为完善的增材制造产业体系,整体技术水平保持与国际同步,在航空航天等直接制造领域达到国际先进水平,在国际市场上占有较大的市场份额。
 
3D打印的优势
 
与传统的加工方式相比较,3D打印在几个方面具有较为明显的优势。
 
一、数字制造,借助CAD等软件将产品结构数字化,驱动机器设备加工制造成器件,数字化文件还可借助网络进行传递,实现异地分散化制造的生产模式。
 
二、降维制造,也就是“分层制造,逐层叠加”,即把三维结构的物体先分解成二维层状结构,逐层累加形成三维物品。因此,原理上3D打印技术可以制造出传统工艺难以完成的复杂结构,而且制造过程更柔性化。
 
三、直接制造,即对一些结构复杂、加工工序多、需要先进行分离零件加工然后再组合的部件,3D打印可实现一次加工完成。
 
四、快速制造,3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造,因此,制造更快速、更高效。
 
目前已经发展起来3D打印的技术比较多,命名的方式也各不相同。从材料来说,有塑料、金属等;从能量形式上来说,主要有激光和电子束;从材料形态来说,主要有粉末和丝材等。近年来,3D打印在技术、设备、材料等方面的发展势头都十分迅猛,其主要应用领域包括模具制造(汽车)、高端零部件(航空零部件)、产品设计(电子消费品等如苹果手机)、医疗保健(牙科、假肢、骨骼)等方面,其主要特征是不计成本的设计行业、尖端制造以及一对一的个性化服务方面,其中汽车行业应用规模最大,2014年的统计显示其占到全部应用市场的31.7%。
 
在核行业中也引入了3D打印,却面临比消费领域更多的问题。一方面,无论是电站、反应堆,还是核燃料组件,其构件多是金属。由于金属的熔点比较高,3D打印涉及到了金属的固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程,而且还需要考虑生成的晶体组织是否良好、整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小、快速加热和冷却引起的应力等。另一方面,核领域中,构件的运行工况比较复杂,维护不方便,对可靠性要求非常高,而且有的构件还必须考虑辐照性能问题。因此,在面对3D打印这样一个新事物时,多数人还是持保守态度。
 
 
但无论如何,3D打印以其快速灵活的特性,终究会在一定程度上取代切削加工成为一种不可或缺的加工方式之一。在核行业内,最具应用前景的3D打印技术,如同步送粉激光立体成形(LSF)、电子束熔丝沉积成形技术(EBF3)等适用于大型承力结构成形技术,激光选区熔化技术(SLM)和电子束选区熔化技术(EBM)等适用于小型精密件的成形技术。随着研究的进一步深入,必将会有更多更成熟的技术应用于工程实际。
 
核行业的3D打印之路
 
那么,核行业的3D打印之路应当怎样走呢?笔者认为,应用至少要经过三个阶段。
 
第一个阶段是“形似”。这基本上是当前各行业在运用3D打印时都走过的路,就是要打印出外观尺寸与现有部件相近的部件或部件组合,先解决从无到有的问题。在这一阶段中,用于3D打印的材料,可以采用现在市面上现成的粉末或丝材。目前,国内主要的核燃料厂已经迈出了第一步,如中核北方核燃料元件有限公司完成了CAP1400型燃料组件的管座样品打印,中核建中核燃料元件有限公司成功打印出了CF3型燃料组件的下管座样品及镍基合金格架样品。
 
3D打印对于设计院所来说,也是一个非常得力的帮手。一种新堆型、新燃料元件,从设计到定型,需要经过一系列的论证、验证过程,有时还需要制作模型进行试验。拿燃料组件来说,很多关键部件的新设计或改进,都需要加工试验件,进行热工水力及其它相关的试验。当前的做法是,由核燃料厂按照设计要求在生产线上进行试制,试制的过程涉及到生产线的设备、人员等方面的调配,有时还需要研制专用的设备或工装,不但研制周期长,成本还非常高。如果采用3D打印的方式进行加工,则可以用较低的成本、较短的时间获得试验结果,省时省力,还便于修改。
 
第二个阶段是“神似”。即在前期打印试验的基础上,通过细致深入的性能分析,掌握打印部件的力学性能、微观结构、应力状态、缺陷,乃至辐照性能等特性。如果这些性能都能够满足设计技术条件的要求,3D打印的部件就可以进入到实际应用阶段。这种实际应用也必然会经历从简单到复杂、从辅助部件到重要部件、从堆外到堆内这么一个过程。今年9月,有报道称,中广核利用3D打印技术成功制造出核电站复杂流道仪表阀阀体,并证实了其化学成分和基础力学性能满足国际核电标准RCC-M的要求,该部件的工程应用将实现金属3D打印制造部件在核电领域应用“零”的突破。
 
 
在这一阶段,再使用普通的冶金粉末等材料可能就无法满足要求了,需要针对核行业的特点,研制核行业3D打印专用粉末或丝材,优化其物理及化学特性,从根本上解决原材料的来源问题。
 
第三个阶段,是实现完全意义上的3D打印的工程化设计和应用。
 
3D打印目前面临的最大问题是,这些打印件没有生产标准,没有质量检测标准,没有安全认证,属于“三无”产品。
 
要发展3D打印,必须依靠标准化的支撑和引领作用。当前,3D打印的标准体系建立尚处于起步阶段。2014年,我国正式成为国际标准化组织ISO/TC 261增材制造技术委员会的成员国,并于今年成立了全国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC 562),全面启动了3D打印标准化工作。今年9月,由中国核能行业协会信息化专业委员会主办的3D打印技术在核能行业应用技术交流会在中核建中核燃料元件有限公司召开,同时成立了3D打印标准体系的组织机构,正式启动核行业3D打印标准体系的策划工作。
 
 
一套完整的标准体系,应当包含设计、制造、检测、试验、运行、维护的全过程,尤其是质量技术评价体系,必须全面而科学,以确保3D打印在核方面的应用的脚步能够走得稳,走得扎实,做到设计有依据、检测有标准、试验有规范、评价有准则。到了这个阶段,核能行业不会再满足于用3D打印的方式来实现既有的设计,而是基于3D打印的特点进行的全过程适应。
 
但有一点必须要清醒认识到,3D打印是一剂良药,但它不能包治百病,它只有跟传统制造业改造与提升相结合, 才有更大生存空间。
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