3D打印技术在核电领域的发展应用情况综述

袁宏 何戈宁 李磊 胡彧 田雅婧

摘 要

近年来，金属3D打印工艺技术迅猛发展。作为新一代制造技术，具有不受零件结构复杂程度的限制的特点，能够实现任意复杂形状零件的快速、优质、高效、经济、全智能化和全柔性化制造。目前典型的3D打印工艺主要有电弧增材制造、电子束选区熔化、金属激光近净成形和激光选区熔化成形，通过对典型的3D打印工艺进行深入比较，抓住其设计思想，直接应用于核电行业，具有极佳的发展前景及重大的战略意义，对促进技术进步与装备性能提升有重要意义目的。

关键词

3D打印技术;核电设备

中图分类号： TM623;TP391.73       文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 40

Abstract

In recent years， metal 3D printing technology has developed rapidly. As a new generation of manufacturing technology， it can realize the rapid， high quality， efficient， economic， intelligent and flexible manufacturing of any complex shape parts without the limitation of the complexity of the parts structure. At present， the typical 3D printing processes mainly include arc additive manufacturing， electron beam selective melting， metal laser near net forming and laser selective melting forming. Through in-depth comparison of the typical 3D printing processes， grasping their design ideas， and directly applying them to the nuclear power industry， it has a very good development prospect and significant strategic significance， which is important to promote technological progress and equipment performance improvement Significance.

Key words

3D printing technology;Nuclear power equipment

1 3D打印技术简介

3D打印又叫增材制造（AM），于20世纪90年代开始发展，目前已趋成熟[1]。3D打印是有别于传统制造工艺的新一代制造技术，被誉为将是引领第三次工业革命的核心技术之一[2]。早在2012年，美国在《先进制造国家战略计划》（2012年2月）及《国家制造业创新网络计划》（2012年3月）等战略规划中，就已将3D打印列为未来美国最关键的制造技术之一[3]。我国在2015年5月8日发布的《中国制造2025》规划中，也已明确将3D打印列为重点发展领域[4]。

3D打印以数字CAD模型数据为基础，采用类似数学积分的叠加法制造原理，将三维实体的制造降阶为二维截面逐点逐层累加制造的方法，实现了三维零件的降维成形，不受零件结构复杂程度的限制，能够实现任意复杂形状零件的快速、优质、高效、经济、全智能化和全柔性化制造[5]。3D打印是先进制造业的重要组成部分，是近三十年来迅速发展起来的高端数字化制造技术，相对于传统的等材制造（制造过程中ΔM=0，如铸造、锻造等），减材制造（ΔM<0，如车铣刨磨钻镗等），是一种“自下而上”的材料累加成形的制造方法，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，实现了制造方式从等材、减材到增材的重大转变，改变了传统制造的理念和模式。

金属激光增材制造技术作为增材制造技术中最具前沿和最有潜力的技术，是先进制造和智能制造技术的重要发展方向。金属增材制造技术是以高能束流（激光束/电子束/电弧等）作为热源，通过熔化粉材或丝材实现金属构件逐层堆积成形。根据美国材料与试验协会（ASTM）增材制造委员会F42于2012年1月颁布的标准之“增材制造技术标准用语ASTM F2792-12”，根据所采用能量源和成形材料的不同，典型的金属增材制造主要包括激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化（EBM）、激光近净成形技术（LENS）、电子束熔丝沉积成形（EBFF）和电弧增材制造（WAAM）[6]，如图1所示。

近年来，金属3D打印工艺技术迅猛发展。以激光选区熔敷技术（SLM）为例，短短几年年时间，从仅能打印200mm见方大小到尺寸突破1000mm，从性能仅满足铸件指标到可稳定达到锻件水平，发展速度惊人，日新月异。

综合来看，3D打印技术作为前沿技术，具有极佳的发展前景及重大的战略意义，对促进技术进步与装备性能提升有重要意义。

2 典型3D打印工藝的比较

2.1 电弧增材制造（WAAM）

同步丝材送进金属增材制造技术采用电子束或电弧（CMT、MIG、TIG等）等作为热源，将金属丝材加热熔化，连续堆积形成沉积层，最终形成“近形”制件。沉积层厚度为毫米量级，具有成形效率高，制造成本低等优点，适合制造大型零件毛坯，成形件需要后续机械加工。但是，由于成形过程中无法添加支撑，难以制造复杂金属构件，尤其是具有异形内流道和悬垂结构的复杂构件，成形精度低，因此很难直接用于核工业复杂构件的成形。

过时的老旧零部件再造是核工业领域中很有前景的应用方向，对于工业界其他需要老旧零部件更换的领域也同样适用，充分体现了3D打印技术不仅可有效保障工厂设备/设施能达到预期使用寿命，甚至可以有效延长其使用寿命。

西门子相关工作具有一定的实用性及效益。虽然该件为非核级部件，但体现了3D打印技术在核工业领域老旧工厂/设施替换件制造方面具有很重要的应用价值，未来应用潜力巨大。

参考文献

[1]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（04）：1-4.

[2]第三次产业革命[Z].經济学人（英），2012.

[3]祁萌，李晓红，胡晓睿，苟桂枝，黄秋实，王召阳.增材制造技术在国外国防领域的发展现状与趋势[J].国防制造技术，2013（05）：12-16.

[4]伍浩松，张焰，戴定.3D核电打印现状及前景[J].中国核工业，2017（07）：45-47.

[5]李小丽，马剑雄，李萍，陈琪，周伟民.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014，35（01）：1-5.

[6]谭磊，赵建光.金属3D打印技术核电领域研究现状及应用前景分析[J].电焊机，2019，49（04）：339-343.

[7]中核集团首次实现3D打印核燃料元件制造[EB/OL].http：//www.cec.org.cn/hangyeguangjiao/kejixinxi/2016-01-15/148029.html.

[8]Bo Huang，Yutao Zhai，ShaojunLiu，Xiaodong Mao. Microstructure anisotropy and its effect on mechanical properties of reduced activation ferritic/martensitic steel fabricated by selective laser melting[J]. Journal of Nuclear Materials，2018，500.

[9]3D 打印技术首次用于大亚湾核电站[EB/OL]. Http：//dy.163.com/v2/article/detail/DA6OPAES0511CP03.html.

[10]陈兴江，刘彦章，张峰.基于3D打印技术的主泵试验用叶轮研制[J].机械设计与制造，2017（S1）：67-69.