重型金属3D打印技术产业化应用有了突破

寂静天花板

从风扇产业到核电风机领域，南方风机股份已经成为国内核电通风设备的龙头企业，如今又向“工业级3D打印”领域尝试二次创业。日前，民生证券调研南风股份后发布报告称，南方增材（南风股份子公司）与上海核工程研究设计院的合同产品—核电主蒸汽管道贯穿件样品已经完成。如果样品检验合格，该技术将大大提高核电站安全性能，并缩短建设周期。若加上核电站核岛核心部件，市场价值可达数百亿元。这一技术也是佛山重工业发展史上的一次重大突破，对佛山实现万亿装备制造业的产业目标具有积极意义。
一．联手领军人才二次创业
南风股份相关负责人介绍，在国内核电风机设备领域，南风股份的设备市场占有率已超过70%，但主营风机业务受到国家核电发展的环境影响，企业处于一种被动式跟随状态。
由于国内核电风机设备领域的市场空间存在“天花板”，再加上风机的制造方面已经很难有大的突破，企业决定寻求新的突破。
处于核电装备领域的南风股份发现，在国内核电站建设过程中，目前核心部件的制造技术仍掌握在国外企业手中，核电站设备部分部件高度依赖进口。以核电站的大型铸锻件为例，其核心技术主要集中在日韩和欧洲，中国企业与其有差距，部分大型、复杂铸锻件尚未攻关成功，只能依靠进口，关键时候还受到其对中国出口的限制，一定程度上影响了项目的建设进程。
“打造一个大型锻件要几百吨钢材和三年的时间，做完后只要检验不合格，几千万元就打水漂了。”南方增材总经理朱志宇说，传统的锻造工艺要求高，流程复杂，生产周期长，需要多套设备配套完成，导致核电成本居高不下。
高端技术人才资源是企业创新的第一资源。2009年底，南风股份的技术团队在北京遇到了北京航空航天大学教授王华明。王华明是航空材料与结构研究部首席科学家、国内激光制造的学术带头人。此前，飞机大型结构件的生产采用传统的锻造和机械加工等方法，光大型模具的加工就要用一年以上的时间。模具加工出来后，再用它锻造出一个大型结构件的毛坯，然后继续加工各部位的细节，等到最后成形，几乎90%的材料都被切削、浪费。
王华明创新了一条截然不同的道路，通过计算机控制，用激光将合金粉末熔化，一层层堆积起来，高效率地“生长”出一个合金部件。
南风股份与王华明在开发金属3D打印技术上进行合作。两者合资成立南方增材公司，成立了“重型金属构件电熔精密成型技术项目”，面向民用领域，王华明团队持有31%股份。“王华明教授带领公司技术团队，自主研发了重金属3D打印技术，是高端重大工业装备中大型、特大型关键构件制造方式的一项变革性技术。”朱志宇说。
二．填补重型金属3D打印空白
王华明核心技术团队经过上百次实验后，在关键技术上取得了突破性进展，并在实验室成功做出了物理、化学性能皆优于锻件的核电重型装备的金属构件缩比件。
重型金属3D打印技术产业化应用的突破，在国内属于空白。在3D打印的应用领域，核电又是一块处女地。南方增材相关负责人表示，重型金属3D打印技术是一种国际首创的重型金属构件短流程、绿色、精密、数字化的增材制造新技术，可广泛应用于百万千瓦核电装备、百万千瓦超临界和超超临界火电机组，以及水电、石化、冶金、船舶等现代重大工业装备合金钢等重型金属构件的制造。
“我们在材料、设备、工艺研发设计上，整套流程都拥有自主知识产权。我们通过国家专利局检索了这个领域的所有相关信息，国内外没有发现与我们技术相似的。”朱志宇表示。
相比起传统铸造工艺，增材制造技术的优势在于“轻装备”，只要一台3D打印机，一道高温电熔的“打印”工序即可见成品。而在传统锻造工艺中，如果要制作一件50吨的核电部件，至少需要180吨的钢锭材料，放入200吨以上的电弧炉进行冶炼浇注，还要经过万吨以上机器的锻造和热处理，多达十几道工序需要耗时6个月以上。
目前，核电站的建设周期是60个月。引入增材制造技术制造重型金属构件，整个周期可以压缩到50个月。
朱志宇认为，以前发展核电站的瓶颈是造价高，因而电价也高，现在压缩周期后电价会比火力发电低；另外，南方增材瞄准的是核电装备，涉及传统重工业行业这个新技术的应用，提升了产品的性能，也提高了安全等级。
三．推动3D打印在制造中应用
经过30多年的快速发展，珠江西岸已发展成为广东省重要的装备制造业生产基地，初步形成了产业特色鲜明、具有一定规模和技术水平的装备制造业体系，为发展先进装备制造业奠定了坚实的基础。《佛山市打造万亿规模先进装备制造业产业基地工作方案》要求加快工业机器人、3D打印等先进制造技术在生产过程中的应用。
今年年初，南方风机股份控股子公司南方增材与上海核工程研究设计院签订了《核电主蒸汽管道贯穿件模拟件增材制造技术支持与服务合同》。在合作的基础上，2015年，企业将完成模拟件的验证，通过实验数据验证模拟件可取代传统冶炼、锻造工艺制造的产品，在力学、性能等指标上达到核工业领域的标准。
“核电代表工业最高领域，如果顺利达到了各项标准，这样一项全新工艺就可以在其他装备领域的生产制造中运用。”朱志宇称。
增材制造技术在核电部件制造上得到突破后，压力容器、蒸汽发生器、稳压器等大量核反应堆中的核心部件都能通过增材制造进行生产。以核心部件蒸汽发生器的管板为例，朱志宇称，这一项的市场价值就超过20亿美金，再加上核电站核岛核心部件，市场价值可达数百亿元。
“通过3D打印，我们可以根据客户需要，完成不同构件的个性化定制，特别是装备业中一些关键的金属异形件，也可尝试进行突破。”南方增材总经理助理李春华说道。
近年来，增材制造、新材料、大数据等技术突破和广泛应用，正推动制造业生产方式的深刻变革。李春华表示，不远的将来，金属增材制造将是佛山重工业发展的一次重大突破，对佛山打造万亿装备制造业的产业目标具有积极意义。

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传统工艺里铸件的机械性能和锻件的机械性能相差多少？
3D打印零件的机械性能现阶段恐怕跟传统的一次性铸造成零件的机械性能最好也就是差不多吧。