“中国打印”首个核电领域订单，3D打印行业应用领域及发展前景分析[图]

    “这是我们争取到的首个核电领域订单，我们非常珍惜。虽然遇上疫情，但团队科研工作一刻也没有停，现在全员复工，加足马力生产，年前积压的订单加上现在的新订单，今年产能可达5000万元左右。”4月24日，金属3D打印“微铸锻”技术发明人、天昱智造首席科学家张海鸥教授谈及接下来的工作，信心满满。

    在上月公布的2020年度国家科学技术奖受理项目公示名单中，“大型复杂高端零件微铸锻同步超短流程制造技术与装备”(金属3D打印“微铸锻”技术)被提名为国家技术发明奖一等奖。湖北省科技厅提名意见描述：“该重大原创性成果，有力支撑我国高端装备自主创新，引领短流程制造技术革命和传统工业绿色转型升级。”

    大国重器之需，容不得半点闪失

    疫情期间，科研团队并没有停下手中的活，2月1日起就开启线上办公。从2月28日得知某核电公司招标公告，到充分讨论评估，决定准备标书应标，再到3月25日开标，4月7日中标，这一个多月的经历让团队成员刻骨铭心。

    此前，这一技术主要在大型复杂整体高端构件制造上广泛应用，例如航空航天、船舶海工，这次中标是在核电领域的突破：利用金属3D打印技术解决某核电站现场部分非核级设备备件无法及时采购，以及异形备件、专用工器具加工困难等问题，从而保障现场设备安全稳定运行。

    核电是高效、清洁、安全和经济的能源，具有资源消耗少、环境影响小和供应能力强等许多优点。发展核电是我国社会经济不断发展和人民生活水平不断提高的需要，也是优化我国能源结构、缓解环境污染和保证能源安全的需要。我国是世界上少数拥有比较完整核工业体系的国家之一，一直有序、积极的推进核电的应用。但2011年受日本福岛核电事件的影响，我国核电工程建设出现滞缓，投资规模出现下降。

    我国核电站主要由三大系统构成：核岛、常规岛及辅助系统。核岛是整个核电站的核心，负责将核能转化为热能，是核电站所有设备中工艺最复杂、投入成本最高的部分。常规岛利用蒸汽推动汽轮机带动发动机发电。辅助系统（BOP）主要包括数字化控制系统、暖通系统，保障核电站平稳运行。

    一般而言，核电站投资中设备、基建和其他投资的比例分别为50%、40%和10%，设备投资占比近半成。

核电站投资分布

核电设备投资分布

数据来源：公开资料整理

    3月27日，为保证国防重大项目如期完成，在武汉未完全“解封”时，张海鸥研发团队提前返回武汉天昱智造基地，开启复工复产工作。

    生产厂房里，弧光闪烁、机器轰鸣。一个个复杂金属零件结合独特微铸锻铣工艺，边打印边加工，犹如一件件艺术品诞生在生产线上。“我们通过在线采集光、电、热、力、声等全方位信号数据，并自写算法建模分析进行稳定性监测与缺陷判定，实现边铸边锻、铸锻同步、形性同控，从而确保增材制造锻件的高可靠性与稳定性。”团队博士生王湘平与符友恒介绍，铸锻铣一体化的制造过程必须做到极致严谨，弧光跳动稍有异常甚至成形声音不对，都会对铸锻形性造成影响。“这些高端零件都是应用于航空航天、铁路船舶等领域的大国重器，来不得半点闪失！”

    研发十七年，潜心“中国打印”

    4月16日，一场别开生面的科学家网上直播吸引了上万人围观热议。张海鸥教授作为“主播”，介绍了金属3D打印“微铸锻”技术的研发过程和现状。来自国内知名高校的教授学者、航空航天等高端装备制造专家、全国3D打印行业爱好者逾1.3万人次参与交流互动。

    增材制造(又称3D打印)是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响，是制造业有代表性的颠覆性技术。

    3D打印的工作原理是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件将其离散分解成若干层平面切片，由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将材料进行逐层堆积黏结，叠加成型，制造出实体产品。

    近年来，随着3D打印研发技术的不断突破，3D打印已经成功应用于航空航天、生物医疗、建筑、汽车等领域，并不断取得突破性进展。第一代高通量集成化生物3D打印机的成功研制，不仅推进了3D打印医疗器械、人工组织器官的临床转化进程，也为3D打印技术的深化应用提供了技术支撑。

    目前，中国的3D打印应用主要集中在家电及电子消费品、模具检测、医疗及牙科正畸、汽车及其他交通工具、航空航天等领域。

    从国内外3D打印的应用领域来看，近两年国外各领域逐渐增强3D打印技术的应用，逐渐实现了在航空、医疗和建筑领域的应用；相比于国外3D打印技术的应用，我国3D打印更多的实现了在航空和生物医疗等领域的应用，但是其应用多以行业应用的模型为主。未来，随着3D打印技术的不断发展和应用，各领域将逐渐深化对该技术的应用，并且不断拓展应用领域。

国外3D打印主要领域应用

国内3D打印主要领域应用

数据来源：公开资料整理

    3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。目前，应用领域排名前三的是工业机械、航空航天和汽车，分别占市场份额的20.0%、16.6%和13.8%。

3D打印产业应用行业占比

    传统机械制造中，浇铸后的金属材料得通过锻造解决成型问题，由于对超大锻机过度依赖，导致机械制作投资大、成本高且制作流程长、能耗巨大并难以制作梯度功能材料零件。

    常规金属3D打印技术同样存在致命缺陷：综合力学性能不及锻件，冶金质量难以控制，设备成本和制造成本较高。

    在直播中，张海鸥教授与团队成员回忆了攻克3D打印传统技术难题的艰辛历程——

    1998年，张海鸥和妻子王桂兰从日本东京大学完成学业后回国，一起任教于华中科技大学。家离实验室很近，用张海鸥的话说就是“700米，1300步”。即便这么近，他们还是觉得耽误时间，索性搬来一张行军床，困了就在实验室里躺一躺。“后来，与学生们在破旧厂房度过了数不清的日日夜夜。印象最深的是夏天，炙热的等离子弧灼烤着脸颊，眼睛刺得睁不开、皮肤火辣辣地疼，全身奇痒、蜕皮……”

    潜心打磨终有成。历经17年研发，团队开发出全球首创的多自由度协同柔性变胞轻型紧凑装备，短流程制造出优异疲劳寿命的大型复杂锻件，完成了内燃机过渡段等全系列微铸锻产品打印装备开发。目前，产品已应用于大型飞机、航空发动机、燃气轮机、航天、船舶、先进轨道交通等多个大国重器的装备制造领域。

    “原创的金属3D打印技术是中国从制造大国向制造强国转变的推进器。我期待，不仅是中国的大飞机、大船舶能够实现‘中国打印’，其他国家的高端装备也能刻上‘中国打印’的烙印！”

    中国3D打印产业前景分析

    1.产业将持续高速增长

    预计未来十年，全球3D打印产业将仍处于高速增长期，预测2020年全球增材制造产值将达289亿美元；而中国在不断突破技术壁垒的过程中，产业持续增长，进入大规模产业化时期。

    2.工业3D打印将成为主流方向

    在航空航天、汽车、航海、核工业以及医疗器械领域对金属3D打印的需求旺盛，应用端呈现快速扩展趋势。

    3.应用深度和广度持续扩展

    未来，3D打印技术的应用已经从简单的概念模型向功能部件直接制造方向发展。例如在生物医疗领域，3D打印从"非活体"打印逐步进阶到"活体"打印。