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佛山企业用3D打印术造300吨核工业部件

2014年11月26日 11:00中国机床商务网作者:吴晓芳 蓝志凌 赵越 曹嘉琪 刘家盈点击:3892

  【中国机床商务网 机床上下游】佛山民营企业南风股份子公司南方增材科技有限公司(下称“南方增材”)正在从事这一惊人的项目:开发金属3D打印技术,“打印”可用于核电站的大件金属构件。
  

3D打印技术(图片来源于网络)

  不久的将来,人们可以设想这样的颠覆性场景:在位于狮山的3D打印车间内,特殊的金属粉末一层一层叠加,最终将逐渐成为直径数米、重达数百吨的金属构件。而在传统锻造工艺中,要制作一件50吨的金属部件,至少需要180吨钢锭材料,放入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。
  
  佛山民营企业南风股份子公司南方增材科技有限公司(下称“南方增材”)正在从事这一惊人的项目:开发金属3D打印技术,“打印”可用于核电站的大件金属构件。
  
  南方增材负责人介绍,相比传统技艺,这一金属3D打印的耗时剧减;完全实现数控化的轨迹控制,产品精密度得以提升;更具颠覆性的是,“打印”过程中,哪里有失误,可以像“橡皮擦”一样消除痕迹,重新来过——实现无限可修复。
  
  南方增材斥资1.68亿元
  
  开发金属3D打印技术
  
  在南风股份小塘新厂区的3D打印车间内,一座高达两层楼、占地约400平方米的机器矗立在厂房的一角,它正是南方增材即将用于核电领域关键主设备制造的增材制造装备。这一装备是南方增材斥资1.68亿元、耗时4年的自主研发成果,它首次将“重型金属构件电熔精密成型技术”(下称“增材制造技术”)应用于核领域,这一技术广义上的说法即3D打印。
  
  厂房内的构件成型区内放着三个大小各异的金属筒体构件,形状中空,构件表面质地均匀,最大一个直径达2米、重达10吨。这正是重型金属3D打印技术“打印”出来的核电部件缩比件。
  
  3D打印是近年来最热门的技术之一,它的学术名称“增材制造”或许能更好地解释它的原理。所谓“增材制造”,是与传统制造业的“减材制造”相对应。依据物体的三维模型数据,通过成型设备,以材料累加的方式制成实物模型。
  
  在3D打印的应用领域,核电尚是一块处女地。南方增材可成功运用增材制造技术在重型大型金属构件领域,一次成型地打造出直径6米、重达300吨的金属部件。而今年11月初在上海举办的世界著名Inside3D打印展上陈列的一些3D打印金属材质作品,大多只是小尺寸的机械零部件。
  
  “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。”南方增材董事总经理朱志宇说,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。公司希望能找到一种新的技术提高成功率、缩短生产周期。于是朱志宇和他的团队通过各种渠道,在国内各地寻找技术合作伙伴。
  
  2009年底,朱志宇和他的团队在北京遇到了北京航空航天大学教授、激光增材制造领域专家王华明,明确在开发金属3D打印技术上的合作。
  
  经过上百次实验后,核心技术团队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。
  
  “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,若按将增材制造技术应用于重型大型金属构件的研发、生产计,南方增材是全球首家吃螃蟹的企业。
  
  与此同时,佛山3D打印产业也迎来了新的发展契机。11月13日,佛山市副市长王玲在广州与广东省科技厅签署联合共建协议,在佛山共建省级3D打印工程技术研究开发中心;建立3D打印产业基地。佛山市政府将配套划拨5000万元专项资金,用于支持以3D打印为主的装备制造产业技术创新。
  
  金属3D打印技术蕴藏百亿市场
  
  佛山制造闯入重工业蓝海?
  
  南风股份为何会选择3D打印?这项技术将为中国重工业带来什么?
  
  “核电代表工业最高领域,如果在核电领域继续有所突破,还有什么领域的产品我们不能生产?”朱志宇从事核电业务工作已超过20年,“核心装备国产化”的趋势明显,这让南风股份看到了更大的市场。
  
  在南方增材总经理助理李春华看来,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。
  
  “风机”领域的“天花板”
  
  尽管在佛山已经有26年历史,但这家鲜少接受媒体采访的民营企业仍充满神秘感,其所从事的领域与佛山大多数企业显得“格格不入”。
  
  2009年,南风股份登上创业板首班车。“这家公司也是目前国内通风与空气处理行业唯一一家取得国家核安全局颁发的核级风机产品的设计制造许可证的企业。”佛山市金融办相关负责人当时称,“南风股份能列入首批创业板,主要是高科技含量比较明显。”
  
  据《中国通风及空气处理行业研究报告》,目前国内该行业企业数量超过一万,但绝大多数企业业务局限于普通厂房和民用建筑等低端产品,而南风股份专注于核电、地铁和公路隧道等高端产品应用领域,打破了国外垄断,在这三个细分市场的市场占有率排名分别为第一位、前两位和前三位。
  
  该负责人介绍,在国内核电风机设备领域市场,南风股份的设备占有率已超过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。“有新的工程建设,我们的业绩就突飞猛进;没有,我们的业绩增速就放缓。”朱志宇说。
  
  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。
  
  生产周期:从两三年到两三个月
  
  目前在国内核电站建设过程中,核心部件的制造技术仍掌握在国外企业手中。核电站设备中,以最核心的部件压力容器为例,其作用是防止高温高压、放射性气体的腐蚀和冲刷,就像防洪大坝一样,是核电设备中安全等级要求最高的部件,一旦出现问题可能导致核泄漏。该部件目前高度依赖进口。国内虽具备生产能力,但锻造技术与发达国家存在差距,为提高高端装备产品合格率,大多数企业需要付出高昂的时间和资金成本。
  
  飞机大型结构件的生产以往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,要动用几万吨级的水压机,要大量供电,甚至需要建电厂。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,等到最后成型,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,“生长”出一个合金部件,以前两三年才能做好的复杂的大型零件,现在两三个月就能完成,而且只需两三个人操作。
  
  “不需模具的制造”让朱志宇感到震撼,“增材制造技术能够打印飞机的大型构件,那能不能打印核电站的重型金属构件?”这一思想碰撞,令王华明感到兴奋。在推动核电重工领域的大型设备国产化上,王华明与公司技术团队达成了一致。
  
  经过上百次实验后,核心技术团队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。
  
  重工业发展的新契机
  
  百万千瓦级核电机组常规岛耐热高强钢低压整体转子锻件是目前世界上所需钢锭最大、锻件毛坯重量最大、截面尺寸最大、技术要求最高的实心锻件,转子构件重量为170吨,其锻坯制备需600吨级钢锭,目前世界上只有日本JSW(日本制钢所)等为数不多的几家企业具备制造能力。重型锻件制造技术瓶颈的难以突破,一定程度上严重影响了核电项目的建设进度和增大了设备的投资,制约了我国核电等重型装备制造业的发展。
  
  增材制造技术在核电部件制造上得到突破后,像压力容器、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20亿美元,再加上核电站核岛核心部件,市场价值可达数百亿元。
  
  随着增材制造技术在核电领域的成功应用,将为南方增材打开更多全新的市场。火电机组、水电船舶等行业重型金属构件的制造,都可能成南方增材的增材制造项目瞄准新领域。
  
  朱志宇表示,在现代工业中,核电产品要求最为严格,如果在核电行业能够获得承认,那么,其它装备领域,就很容易实现应用。
  
  “打开这一扇窗后,我们发现前面是一个可以通达多领域的大门。我们还可以根据客户需要,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,我们也会尝试进行突破。”李春华称。
  
  他表示,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。
  
  核电出口的中国梦
  
  最广为流传的说法是,“出口一个核电项目相当于出口100万辆桑塔纳轿车”。
  
  核电领域是我国高端制造业的代表,动辄几百亿元的投入使这个市场极具诱惑力。
  
  上月,中国国防科技工业局局长、国家原子能机构主任许达哲在“庆祝中国加入国际原子能机构30周年”研讨会上表示,中国将稳步推进核电建设,“到2020年,中国在运核电机组将达到5800万千瓦。”
  
  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。
  
  中国核电出口是与日本、俄罗斯、法国竞争,核电站出口靠什么?“一个是价格能不能更便宜,另一个是建设周期能不能更短,在核电站的建设中,时间就是金钱,核电站建设需要上百亿的资金投入,如果建设周期能缩短,早一天发电就能早一天收益。”朱志宇称,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,这个新技术的应用,也提升了产品的性能,安全等级也提高。
  
  技术破译
  
  “金属墨水”如何变为核电设备?
  
  几乎每个人的童年游戏中,都有3D打印的影子:沙滩上捧起细沙,然后小心堆成想象中的城堡。
  
  与此相似,以塑料颗粒为材料的3D打印,对大众来说已经并不陌生,在建好数学模型后,从饮水杯到小公仔,都可以在探头的不断运动中逐渐堆砌成型。然而,从几百克的塑料公仔到几百吨的金属构件,中间却相隔着天与地的距离。
  
  南方增材描述重型金属3D打印技术是一种“原理全新的重型金属构件短流程、绿色、精密、数字化制造新技术”。
  
  如果南方增材的技术愿景能够完全实现,那么在这几个形容词背后,可能蕴藏着整个重工业生产方式的颠覆:人们将可以精确操控大型金属锻件每一个部位的生产,就像用砖盖房子一样,精确到每一块砖。
  
  寻找不同寻常的“金属墨水”
  
  从金属制造和加工业来说,3D打印基本原理是将零件数字化模型进行空间网格化,通过像素化分解成为一个个空间点阵,然后利用金属微量熔融或烧结的沉积技术,将零件一层层堆积而成。
  
  业内人士将3D打印的过程比喻成盖房子:“一层层往上垒砖砌墙,只不过用的不是方砖水泥,而是工程塑料、粉末、尼龙、光敏树脂甚至是金属、陶瓷等不同的材料。”
  
  那么,南方增材用的“墨水”是什么?
  
  李春华介绍,南方增材的“房子”,即在核电厂的重型金属构件。“房子”的基础的材料是钢,与王华明此前在飞机大型构件使用“钛合金”,材料是完全不同的。技术团队必须解决“墨水”的问题。
  
  3D打印与传统制造的生产原理全然不同,材料首先要求是粉末状或者丝状;其次,材料的晶体生长方向要可控制,形成原子或者分子规则排列的固体,一层一层向上叠加,对固化反应速度也有较高的要求;最后,打印形成的产品,要实现与传统技术造出来的“房子”高致密度、高性能等物理指标看齐,这是关键所在。
  
  “在材料研发上,技术团队投入了很长时间与精力,经历了多次试验,而且检验过程很长,每一步调整都花了很多时间,完全是自主创新。”李春华说。最终,南方增材选用合金钢材、丝材作为原材料,确定了材料配方,打出金属大房子——“重型金属构件”。
  
  核电站建设周期可快10个月
  
  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。
  
  李春华说,设备和工序的减少带来的是速度的高速提升。制作同样50吨的核电部件,增材制造仅需要75吨金属粉末和线材,材料消耗是原来的一半不到;在时间上,增材制造打印机现在的速度已经能达到每24小时打印10吨,不用一个月即可完成。
  
  目前核电站的建设周期是60个月,运用增材制造技术后,整个周期可以压缩到50个月。
  
  “房子”的大小不同,盖房子的技术也有差异。金属3D打印目前应用最成熟的是航空领域,通过激光烧结和激光熔化技术来“打印”飞机等高端产品上的关键金属零件,而南方增材使用的则是多种高温电熔技术。研发初期,朱志宇说也曾采用激光技术进行实验,但这种技术并不适用于重型装备,“性能虽好,但速度太慢。”
  
  要“打印”一座大房子,南方增材选择了“一次成型”。“通过设备直接‘打印’出金属构件。”李春华介绍,通过3D打印机逐层“打印”逐层堆积,产品后续只需进行特殊热处理和小余量的机械加工。这一方式在时间上也赢得优势,“我们的效率是最快的”。
  
  无限可修复:成品率提高
  
  “3D打印就是逐层向上叠,整个过程中,材料成分都一样,因此,整件产品都非常均匀,高精密度也因此铸成。”李春华介绍。而传统的锻造工艺就像拉面条一样,需要反复搓揉和挤压、锻打,生产过程中可能会出现缺陷,越接近中心部分,部件缺陷越容易出现,而一旦部件的芯部出现问题,整个产品就可能报废。
  
  他介绍道,增材制造的另一个突出优势是它的无限可修复性。在生产过程中通过超声波检测,一旦产品发现问题,即可进行修补。由于增材制造的生产过程是一层一层堆积,能保证每一部分的精密程度相同,成品的废品率低。
  
  合格率的提高,核电站建设周期的压缩,意味着核电造价的降低。朱志宇估计,未来核电成本将比火力发电更低,“一项技术的应用可以使一个传统行业成本大大降低。”
(来源:南方日报)

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