3D打印技術，又稱增（zēng）材製造（Additive Manufacturing）技術，是有別於減材製造（zào）（如（rú）切削加工）及等材製造（如鑄（zhù）造、粉末冶金）的一（yī）種全新的快速（sù）成型（xíng）技術（shù），是計算（suàn）機、精密機械、高能束（shù）流、材（cái）料等多種學科在加工工藝上的集成，被英國著名雜誌《經濟學人》描述為全（quán）球（qiú）第三次工業革命中一（yī）項具（jù）有代表性（xìng）的技術，美國《時代》周刊也將之列為“美（měi）國（guó）十大（dà）增長最快的工業”之一。

 

2015年，為落（luò）實國務院關於發展戰略性新（xīn）興產（chǎn）業的決策部署，搶抓新一輪科技革命和產業變革的重大機遇（yù），加快推進我國3D打印產業健康有序發展（zhǎn），工信部、發改委、財政部研究（jiū）製定了《國（guó）家增材製造（zào）產業發展推進計劃（2015-2016年）》。根據計劃提出的目標，到2016年，初步（bù）建立較為完善的增（zēng）材製造產業體係，整（zhěng）體技術水平保持與國際同步，在（zài）航空航（háng）天等直接製造領域達到國際先（xiān）進水平，在國際市場上占有較大的市場份額。

 

3D打印的優勢（shì）

 

與傳統的加工方式相比較（jiào），3D打（dǎ）印在幾個方麵（miàn）具有較為明顯的優勢。

 

一、數字製（zhì）造，借助CAD等軟件將產品（pǐn）結構（gòu）數字化，驅動機器設備加工製造成器件，數字化文件還可借助（zhù）網絡進行傳遞，實現異地分散化製（zhì）造（zào）的生產模式。

 

二、降維製造，也就是“分層製造（zào），逐層疊加”，即（jí）把三維結構的物體先分（fèn）解成二維層狀結構（gòu），逐（zhú）層累加形成三維物品。因此，原理上3D打印技術（shù）可（kě）以製造出傳統工藝難以完成的複雜結構，而且製造過程更柔性化。

 

三、直接製造，即對（duì）一些（xiē）結構複雜、加工工序多（duō）、需要先進行分（fèn）離零件加工然後再組合的部件，3D打印可實現一次加工完成。

 

四（sì）、快速製造（zào），3D打印製造工藝流程短、全自動（dòng）、可實（shí）現現場製造，因此，製造更快（kuài）速、更高效。

 

目前（qián）已（yǐ）經（jīng）發展起來3D打印（yìn）的技術比較多，命（mìng）名的方式也各不相同（tóng）。從材料來說，有塑料、金屬等；從能量形式上來說，主（zhǔ）要有激光和電子（zǐ）束；從材料形態來說，主要（yào）有粉末和絲材等。近年來（lái），3D打印在技（jì）術（shù）、設備、材料等方麵的發展勢頭都十分迅猛，其（qí）主要應用領域包括（kuò）模具製造（汽車）、高端零部件（航（háng）空零部件）、產品設計（電子消費品等如蘋果（guǒ）手機）、醫療保健（牙科、假肢、骨骼（gé））等方麵，其主要（yào）特征是不計成本的設計行業（yè）、尖端製造以及一對一（yī）的個性（xìng）化服（fú）務方麵，其中汽車行（háng）業應（yīng）用規模最大，2014年的統計顯示其占到全部應用市場的31.7%。

 

在核行業中也引入了3D打印，卻麵（miàn）臨比消費領域更多的問題。一方麵，無論是電站、反應堆，還是核燃料組件，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（xū）要考慮生成的晶體組織是否良好、整個（gè）試件是否均勻、內部雜質和孔隙的大小、快速加熱和冷卻（què）引起的應力等。另一方麵，核領域中，構件的運行工況比較複雜，維護不方便（biàn），對可靠性要求非常高，而且有的（de）構件還必須考慮（lǜ）輻照性（xìng）能問題。因此，在麵對3D打印這樣一（yī）個新事物時，多數人還是持保守態度。

 

 

但無論如（rú）何，3D打印以其快速（sù）靈活（huó）的特性，終究會在一定程（chéng）度上取代切削加工成為一種（zhǒng）不可或缺的加工方式之一。在核行業內，最具應用前景的3D打印技術，如同步送（sòng）粉激光立體成形（LSF）、電子（zǐ）束熔絲沉積（jī）成形技術（EBF3）等（děng）適用於大型承力結構成形技術，激光選區熔（róng）化技術（SLM）和電子束選區熔化技（jì）術（EBM）等適用於小型精密件的成形技術（shù）。隨著研究的進一步深入，必將會有更多更成（chéng）熟的技術應用於工程實際。

 

核行業的3D打印之路

 

那麽，核行業（yè）的3D打印之路應當怎樣走呢？筆者認為，應用至少要（yào）經過三（sān）個階段。

 

第一個階段是“形似”。這基（jī）本上是當前各行業在運用3D打印時都走過的路，就是要打印出外觀尺寸與現有部件相近的部件或部件組合，先（xiān）解決從無到有的問題（tí）。在這一階段（duàn）中，用於3D打印的材料，可以采用現在市麵上（shàng）現成的粉末或絲材。目前，國內主（zhǔ）要（yào）的核燃料廠已經邁出了第一（yī）步，如（rú）中核北方核燃料元件有限（xiàn）公司完成了CAP1400型（xíng）燃料組件的（de）管座樣品打印，中核建（jiàn）中核燃料元件有限公司成功（gōng）打印出了CF3型燃料組件的下管座樣品及（jí）鎳基合金格架（jià）樣品。

 

3D打印對於設計院所來說（shuō），也是一個非（fēi）常得力的幫手。一種新堆型、新燃料元件（jiàn），從設計到定型，需要經過一係（xì）列（liè）的論證、驗證過程，有時（shí）還需要製作模型進行試驗。拿燃料組件來說，很多關鍵部件的新設計或改進，都需要加工試驗件，進行熱工水力及其它相關的試驗。當前的做法是，由核（hé）燃（rán）料廠按照設計要求在（zài）生產線上進行試製，試製的過程涉（shè）及到生產線（xiàn）的設備、人員等方麵的調配，有時還需要研（yán）製專用的設備或工裝，不但研製周期長，成本還非常（cháng）高。如果采（cǎi）用3D打印的方式進行加工，則可以用較低的成本、較短的時間獲得試驗結果，省時省力，還便於修改。

 

第（dì）二個（gè）階段是“神似”。即（jí）在前期打印試驗的基礎上，通過細致深入（rù）的（de）性能（néng）分析，掌握打印部件的力學性能、微觀結構、應力（lì）狀態、缺陷，乃至輻照性能等（děng）特（tè）性。如果這些性能都能夠滿（mǎn）足設計技（jì）術條件的要求，3D打（dǎ）印的部件就可以進入到實際應用階段。這種實際應（yīng）用也必然會經曆從簡單到複雜、從輔助（zhù）部件到重要部件、從堆外到（dào）堆內這麽一個過（guò）程。今年9月，有報道（dào）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，並證實了其化學成分和基礎力學性能滿足國際核（hé）電標準RCC-M的要求，該部件的工程應用將實現金屬3D打（dǎ）印製（zhì）造部（bù）件在核（hé）電領域應用“零”的突破。

 

 

在這（zhè）一（yī）階段，再使用普通的冶金粉末（mò）等材料可能就無法滿足要求（qiú）了，需要針對核行（háng）業的特點，研製核行（háng）業3D打印專用粉末或絲材，優化其物理及化學（xué）特性，從根本上解決原材料的來源問題。

 

第三個（gè）階段，是實現完全意義上的3D打印的工程化設計和應用。

 

3D打印目前麵（miàn）臨的最大問題是，這（zhè）些打印件沒有生產標準，沒有質量檢測（cè）標準，沒有安全認證，屬於“三無（wú）”產品（pǐn）。

 

要發展3D打印，必須依靠標準化的支撐和引領作用。當前，3D打印的標準體係建立尚處於起步階段。2014年，我國正式成為國際標準化組織ISO/TC 261增材製造技術委員會的成員國（guó），並於今年成立了全國增材製造標準（zhǔn）化技術委員會（huì）（SAC/TC 562），全麵啟動了3D打印標準化工作。今年9月（yuè），由中國核能行業協會（huì）信息化專業委員會主辦的3D打印技術在核能行業應用技（jì）術交流會在中核建中核燃料元件有限公司召開（kāi），同時成立了3D打印標準體係的組織機構，正式啟動核行業3D打印標準體係的策劃工作。

 

 

一套完整的（de）標準體係，應當包含設計、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（xì），必須全麵而科學，以（yǐ）確保3D打印在核方麵（miàn）的應用的腳步能夠走得穩，走得紮實，做到設計有依（yī）據、檢測有（yǒu）標準、試驗有規範、評價有準則。到了這個階段，核能行業（yè）不會再滿足於用3D打印的方式（shì）來實現既有（yǒu）的設計，而是基於3D打印的特點進行（háng）的全過程（chéng）適應。

 

但有一點必須要清醒認識到，3D打（dǎ）印是一劑良藥，但它不能包治百病，它（tā）隻（zhī）有跟傳統製造業改造與提升（shēng）相結合， 才（cái）有更大生（shēng）存空間。