重型金屬3D打印技術產業化應用取得突破
2015-7-2 來源： 作者：
從風扇產業到核電風機領域，南方風機股份已經成為國內核電通風設備的龍頭企業，如今又向“工業級3D打印”領域嘗試二次創業。日前，民生證券調研南風股份后發布報告稱，南方增材（南風股份子公司）與上海核工程研究設計院的合同產品—核電主蒸汽管道貫穿件樣品已經完成。
如果樣品檢驗合格，該技術將大大提高核電站安全性能，并縮短建設周期。若加上核電站核島核心部件，市場價值可達數百億元。這一技術也是佛山重工業發展史上的一次重大突破，對佛山實現萬億裝備制造業的產業目標具有積極意義。
一．聯手領軍人才二次創業
南風股份相關負責人介紹，在國內核電風機設備領域，南風股份的設備市場占有率已超過70%，但主營風機業務受到國家核電發展的環境影響，企業處于一種被動式跟隨狀態。
由于國內核電風機設備領域的市場空間存在“天花板”，再加上風機的制造方面已經很難有大的突破，企業決定尋求新的突破。
處于核電裝備領域的南風股份發現，在國內核電站建設過程中，目前核心部件的制造技術仍掌握在國外企業手中，核電站設備部分部件高度依賴進口。以核電站的大型鑄鍛件為例，其核心技術主要集中在日韓和歐洲，中國企業與其有差距，部分大型、復雜鑄鍛件尚未攻關成功，只能依靠進口，關鍵時候還受到其對中國出口的限制，一定程度上影響了項目的建設進程。
“打造一個大型鍛件要幾百噸鋼材和三年的時間，做完后只要檢驗不合格，幾千萬元就打水漂了。”南方增材總經理朱志宇說，傳統的鍛造工藝要求高，流程復雜，生產周期長，需要多套設備配套完成，導致核電成本居高不下。
高端技術人才資源是企業創新的第一資源。2009年底，南風股份的技術團隊在北京遇到了北京航空航天大學教授王華明。王華明是航空材料與結構研究部首席科學家、國內激光制造的學術帶頭人。此前，飛機大型結構件的生產采用傳統的鍛造和機械加工等方法，光大型模具的加工就要用一年以上的時間。模具加工出來后，再用它鍛造出一個大型結構件的毛坯，然后繼續加工各部位的細節，等到最后成形，幾乎90%的材料都被切削、浪費。
王華明創新了一條截然不同的道路，通過計算機控制，用激光將合金粉末熔化，一層層堆積起來，高效率地“生長”出一個合金部件。
南風股份與王華明在開發金屬3D打印技術上進行合作。兩者合資成立南方增材公司，成立了“重型金屬構件電熔精密成型技術項目”，面向民用領域，王華明團隊持有31%股份。“王華明教授帶領公司技術團隊，自主研發了重金屬3D打印技術，是高端重大工業裝備中大型、特大型關鍵構件制造方式的一項變革性技術。”朱志宇說。
二．填補重型金屬3D打印空白
王華明核心技術團隊經過上百次實驗后，在關鍵技術上取得了突破性進展，并在實驗室成功做出了物理、化學性能皆優于鍛件的核電重型裝備的金屬構件縮比件。
重型金屬3D打印技術產業化應用的突破，在國內屬于空白。在3D打印的應用領域，核電又是一塊處女地。南方增材相關負責人表示，重型金屬3D打印技術是一種國際首創的重型金屬構件短流程、綠色、精密、數字化的增材制造新技術，可廣泛應用于百萬千瓦核電裝備、百萬千瓦超臨界和超超臨界火電機組，以及水電、石化、冶金、船舶等現代重大工業裝備合金鋼等重型金屬構件的制造。
“我們在材料、設備、工藝研發設計上，整套流程都擁有自主知識產權。我們通過國家專利局檢索了這個領域的所有相關信息，國內外沒有發現與我們技術相似的。”朱志宇表示。
相比起傳統鑄造工藝，增材制造技術的優勢在于“輕裝備”，只要一臺3D打印機，一道高溫電熔的“打印”工序即可見成品。而在傳統鍛造工藝中，如果要制作一件50噸的核電部件，至少需要180噸的鋼錠材料，放入200噸以上的電弧爐進行冶煉澆注，還要經過萬噸以上機器的鍛造和熱處理，多達十幾道工序需要耗時6個月以上。
目前，核電站的建設周期是60個月。引入增材制造技術制造重型金屬構件，整個周期可以壓縮到50個月。
朱志宇認為，以前發展核電站的瓶頸是造價高，因而電價也高，現在壓縮周期后電價會比火力發電低；另外，南方增材瞄準的是核電裝備，涉及傳統重工業行業這個新技術的應用，提升了產品的性能，也提高了安全等級。
三．推動3D打印在制造中應用
經過30多年的快速發展，珠江西岸已發展成為廣東省重要的裝備制造業生產基地，初步形成了產業特色鮮明、具有一定規模和技術水平的裝備制造業體系，為發展先進裝備制造業奠定了堅實的基礎。《佛山市打造萬億規模先進裝備制造業產業基地工作方案》要求加快工業機器人、3D打印等先進制造技術在生產過程中的應用。
今年年初，南方風機股份控股子公司南方增材與上海核工程研究設計院簽訂了《核電主蒸汽管道貫穿件模擬件增材制造技術支持與服務合同》。在合作的基礎上，2015年，企業將完成模擬件的驗證，通過實驗數據驗證模擬件可取代傳統冶煉、鍛造工藝制造的產品，在力學、性能等指標上達到核工業領域的標準。
“核電代表工業最高領域，如果順利達到了各項標準，這樣一項全新工藝就可以在其他裝備領域的生產制造中運用。”朱志宇稱。
增材制造技術在核電部件制造上得到突破后，壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器等大量核反應堆中的核心部件都能通過增材制造進行生產。以核心部件蒸汽發生器的管板為例，朱志宇稱，這一項的市場價值就超過20億美金，再加上核電站核島核心部件，市場價值可達數百億元。
“通過3D打印，我們可以根據客戶需要，完成不同構件的個性化定制，特別是裝備業中一些關鍵的金屬異形件，也可嘗試進行突破。”南方增材總經理助理李春華說道。
近年來，增材制造、新材料、大數據等技術突破和廣泛應用，正推動制造業生產方式的深刻變革。李春華表示，不遠的將來，金屬增材制造將是佛山重工業發展的一次重大突破，對佛山打造萬億裝備制造業的產業目標具有積極意義。
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