3D打印技術，又稱增材（cái）製造（Additive Manufacturing）技術，是有別於減材製造（如切削加工）及等材（cái）製（zhì）造（zào）（如鑄造、粉末冶金）的一種全新的快速成型技術，是計算（suàn）機、精密機械、高能（néng）束流、材料等（děng）多種學科在加工工藝上（shàng）的集成，被英國著（zhe）名（míng）雜誌《經濟學人》描述為全球（qiú）第三次工業（yè）革命中一項具有代表性的技（jì）術，美國《時代》周刊也將之列為（wéi）“美國十大增（zēng）長最快的工業”之一。

 

2015年，為（wéi）落實國務院關於發展戰略性新興產業的決策（cè）部署，搶抓新一輪科技革命和產業變革的重大機遇，加快推（tuī）進我國3D打印產業（yè）健康有序發展，工信部、發改委（wěi）、財政（zhèng）部研究製定了《國家增材製造產業（yè）發展（zhǎn）推進計（jì）劃（2015-2016年）》。根據計劃提出的目標（biāo），到2016年，初步建立（lì）較為完善的增（zēng）材製造產業體係（xì），整體技術水平保持與國際同步，在航空航天等直（zhí）接（jiē）製造（zào）領域達到國際先進水平，在國際市場上占有（yǒu）較大的市場份額。

 

3D打印的優勢

 

與傳統的加工方式相比較，3D打印在幾個方麵具（jù）有較為明顯的優勢。

 

一、數字製造，借助CAD等軟件（jiàn）將產品結構（gòu）數字化，驅動（dòng）機（jī）器設備加工製造成器件，數字化（huà）文件還可借助網絡（luò）進行傳遞，實現異地分散化製造的生產模式。

 

二、降維製造（zào），也就是“分層製造，逐層疊加（jiā）”，即把三維（wéi）結（jié）構的物體先分（fèn）解成二（èr）維層狀結構，逐層累加（jiā）形成三維物品。因此，原理上3D打印技術可以製造（zào）出傳統工藝難以（yǐ）完成的（de）複雜結構，而且製造過程更柔性化。

 

三、直接製造（zào），即對一些結構複雜（zá）、加工工（gōng）序多、需要先進行分離零件加（jiā）工然後再組合的（de）部件（jiàn），3D打印可實現一次（cì）加工完成。

 

四、快速製造（zào），3D打印製造工（gōng）藝流程短、全自動、可實現現（xiàn）場製造（zào），因此，製造更（gèng）快速、更高效。

 

目前已經發展起（qǐ）來3D打（dǎ）印的技術比較多，命名的方式也各不相同。從（cóng）材料來說，有塑料、金屬等；從能量形式上（shàng）來說，主要（yào）有（yǒu）激光和電子束；從（cóng）材料形態來說，主要有（yǒu）粉末和絲材等。近年來，3D打印在技術、設備、材料等方麵的發（fā）展勢頭都十分迅猛，其主要應用領域包括模（mó）具製造（汽車）、高端零部件（航空（kōng）零部件）、產品設計（電子消費品（pǐn）等如蘋果手機）、醫療保健（牙科、假肢（zhī）、骨骼）等方麵，其主要特征（zhēng）是不計成本的設計行業、尖端製（zhì）造以及一（yī）對一的個性化服務方（fāng）麵，其（qí）中汽車行業應用（yòng）規模（mó）最大，2014年的統計顯示其占（zhàn）到（dào）全部應用市場的31.7%。

 

在核行業中也引入了3D打印，卻麵臨比（bǐ）消費領域更多的問題。一方（fāng）麵（miàn），無論是電站、反應堆，還是核（hé）燃料組（zǔ）件，其構件（jiàn）多是金屬。由於金屬的熔點比（bǐ）較高，3D打印（yìn）涉及到了金屬（shǔ）的固液相變、表麵擴散以及熱傳導等多種物理過程，而且還需要考慮生成的晶體組織是否良好（hǎo）、整個試件是否均勻、內部雜質和孔（kǒng）隙的大小、快（kuài）速加熱和冷卻（què）引起的（de）應力等。另一方麵，核領域中，構件的運行工況比較複（fù）雜，維護不方便，對可（kě）靠性要求非常高，而且有的構件還必須考慮輻照性（xìng）能問題。因此（cǐ），在麵對3D打印這樣一個新事物時，多數人（rén）還是持保守態度。

 

 

但無論（lùn）如何，3D打印以其快速靈活的特性，終究會在一定程度上取代切削加工成為一種不可（kě）或缺的加工方式之一。在核行業內，最具應用前（qián）景的3D打印技（jì）術，如同步送粉激光立體成（chéng）形（LSF）、電（diàn）子（zǐ）束（shù）熔絲（sī）沉（chén）積成形技術（EBF3）等適用於大型承力結構成形技（jì）術，激光選區熔化技術（SLM）和電子束選區熔（róng）化技術（EBM）等（děng）適用於小型精密件（jiàn）的成形（xíng）技術。隨著研究的進一步深入，必（bì）將會有更多更成熟的技術應用於工程實際。

 

核行業的3D打印之路

 

那麽，核（hé）行業的3D打印（yìn）之路應（yīng）當怎樣走呢？筆者認為，應用至少要經過三個階段。

 

第一個階段是“形似（sì）”。這基（jī）本上是當前各行業在運用3D打印（yìn）時都（dōu）走過的路，就是要（yào）打印（yìn）出外觀尺寸與現有部（bù）件相近的部件或部件組合，先解決從無到有的問題。在（zài）這一階段中，用於3D打印的材（cái）料（liào），可以（yǐ）采用現在（zài）市麵上現成（chéng）的粉（fěn）末或（huò）絲材。目前，國內主要（yào）的核燃料廠已經邁出了第一步，如中核北方核燃料元件（jiàn）有限（xiàn）公司完成了CAP1400型燃料組件的管座樣品打印，中核建（jiàn）中核燃料元件有限公司成功打印出（chū）了CF3型燃料組件的下管座樣品及鎳基合金格架樣品。

 

3D打印對於設計院所來說（shuō），也是一（yī）個非常得（dé）力的幫（bāng）手。一種新堆型、新燃（rán）料元件，從設計到定型，需要經過一係列的論證、驗證過程，有時還需要製作模（mó）型進（jìn）行試驗。拿燃（rán）料組件來說，很多關鍵部件的（de）新設計或改進，都需要加工試（shì）驗件，進行熱工水力及其它相關的試驗。當前（qián）的做法是（shì），由核燃料廠按照設計要求在生產線上進行試製，試製的過程涉及到生產（chǎn）線的設備、人員等方麵的調配，有時還需（xū）要研製專用的設備或工裝，不但研製周期長，成本還非（fēi）常（cháng）高。如果采用3D打印的方式進行（háng）加工，則可以用（yòng）較（jiào）低的成本（běn）、較短的時（shí）間獲得試（shì）驗結果，省時（shí）省力，還便於修改。

 

第二（èr）個階段是“神似”。即在前期打（dǎ）印試驗的基礎上，通過細致深入的性能（néng）分析，掌握打印部件（jiàn）的力學性能、微觀結構、應力狀態、缺陷，乃至輻照性能等特性。如果這些性能都能夠滿足設計技術條件的要求，3D打印的部件就（jiù）可（kě）以進入到實際應用階段。這（zhè）種實際應用也必然會（huì）經（jīng）曆從簡單到複雜、從輔助部件到重要部件、從堆（duī）外到堆內這麽一個過程。今（jīn）年9月，有報道稱，中廣核利用3D打印技術成功製造出核電站複雜流道儀表閥閥體，並（bìng）證實了（le）其化學（xué）成分和基礎力學性能滿（mǎn）足國際（jì）核電標準RCC-M的要求，該部件的工程應用將實（shí）現金屬3D打印製造部件在（zài）核電領域應用“零”的突破（pò）。

 

 

在（zài）這（zhè）一階段，再使用普通的冶金粉末等材料可（kě）能就無法滿足要求了，需要針對核行業的特點，研製核行業3D打印專用粉末或絲材，優化其物理及化學特性，從根本上解（jiě）決（jué）原材料的（de）來源問題。

 

第三個階段，是實現完全意義上的（de）3D打印的工程化設計和應用。

 

3D打印目前麵臨的最大（dà）問題是（shì），這些打印件沒有生產（chǎn）標準，沒有質（zhì）量檢測標準，沒有安全認證，屬於“三無”產品。

 

要發展3D打印，必須依靠標（biāo）準（zhǔn）化的支撐（chēng）和引領作用。當前，3D打印的標準體係建立尚處於起步階段。2014年，我國正式（shì）成為（wéi）國際（jì）標準化組織ISO/TC 261增材製造技術委員會（huì）的成員國，並於今年成立（lì）了全國增材製造標準化技術委員會（huì）（SAC/TC 562），全麵啟動了3D打印標準化工作。今（jīn）年9月，由中國核能（néng）行業協會信息化專業委員會（huì）主辦（bàn）的3D打印技術在（zài）核能行業應用技術交流會在中核建中核燃料元件（jiàn）有限（xiàn）公司召開，同（tóng）時成立了3D打印標（biāo）準體（tǐ）係的組織機構（gòu），正式啟動核行業3D打印標準體係的策（cè）劃工作。

 

 

一（yī）套完整（zhěng）的標準體係，應當包（bāo）含設計、製造、檢測、試驗、運行、維（wéi）護的全過程，尤其是質量技術評價體係，必須全麵而科（kē）學，以確保3D打印（yìn）在核方麵的應用的腳步能夠走得穩，走得紮實，做到（dào）設計有依據、檢測有標準、試驗有規範、評價有準則。到了這個階段，核能行業不會再滿足於用3D打印的方式來實現既（jì）有的設計，而是基於（yú）3D打印的特（tè）點進行的全（quán）過程適應。

 

但有一點必須要清（qīng）醒認識到，3D打印是一（yī）劑良藥，但它不能包治百病，它隻有跟傳統製造業改造與提升相結合， 才有更大生存空間。