不久的將來，人們(men) 可以設想這樣的顛覆性場景：在位於(yu) 獅山的3D打印車間內(nei) ，特殊的金屬粉末一層一層疊加，最終將逐漸成為(wei) 直徑數米、重達數百噸的金屬構件。而在傳(chuan) 統鍛造工藝中，要製作一件50噸的金屬部件，至少需要180噸鋼錠材料，放入電弧爐進行冶煉澆注，還要經過萬(wan) 噸以上機器的鍛造和熱處理。 

　　佛山民營企業(ye) 南風股份子公司南方增材科技有限公司(下稱“南方增材”)正在從(cong) 事這一驚人的項目：開發金屬3D打印技術，“打印”可用於(yu) 核電站的大件金屬構件。

　　南方增材負責人介紹，相比傳(chuan) 統技藝，這一金屬3D打印的耗時劇減；完全實現數控化的軌跡控製，產(chan) 品精密度得以提升；更具顛覆性的是，“打印”過程中，哪裏有失誤，可以像“橡皮擦”一樣消除痕跡，重新來過——實現無限可修複。

　　南方增材斥資1.68億(yi) 元

　　開發金屬3D打印技術

　　在南風股份小塘新廠區的3D打印車間內(nei) ，一座高達兩(liang) 層樓、占地約400平方米的機器矗立在廠房的一角，它正是南方增材即將用於(yu) 核電領域關(guan) 鍵主設備製造的增材製造裝備。這一裝備是南方增材斥資1.68億(yi) 元、耗時4年的自主研發成果，它首次將“重型金屬構件電熔精密成型技術”(下稱“增材製造技術”)應用於(yu) 核領域，這一技術廣義(yi) 上的說法即3D打印。

　　廠房內(nei) 的構件成型區內(nei) 放著三個(ge) 大小各異的金屬筒體(ti) 構件，形狀中空，構件表麵質地均勻，最大一個(ge) 直徑達2米、重達10噸。這正是重型金屬3D打印技術“打印”出來的核電部件縮比件。

　　3D打印是近年來最熱門的技術之一，它的學術名稱“增材製造”或許能更好地解釋它的原理。所謂“增材製造”，是與(yu) 傳(chuan) 統製造業(ye) 的“減材製造”相對應。依據物體(ti) 的三維模型數據，通過成型設備，以材料累加的方式製成實物模型。

　　在3D打印的應用領域，核電尚是一塊處女地。南方增材可成功運用增材製造技術在重型大型金屬構件領域，一次成型地打造出直徑6米、重達300噸的金屬部件。而今年11月初在上海舉(ju) 辦的世界著名Inside 3D打印展上陳列的一些3D打印金屬材質作品，大多隻是小尺寸的機械零部件。

　　“打造一個(ge) 大型鍛件要幾百噸鋼材和三年的時間，做完後隻要檢驗不合格，幾千萬(wan) 元就打水漂了。”南方增材董事總經理朱誌宇說，傳(chuan) 統的鍛造工藝要求高，流程複雜，生產(chan) 周期長，需要多套設備配套完成，導致核電成本居高不下。公司希望能找到一種新的技術提高成功率、縮短生產(chan) 周期。於(yu) 是朱誌宇和他的團隊通過各種渠道，在國內(nei) 各地尋找技術合作夥(huo) 伴。

　　2009年底，朱誌宇和他的團隊在北京遇到了北京航空航天大學教授、激光增材製造領域專(zhuan) 家王華明，明確在開發金屬3D打印技術上的合作。

　　經過上百次實驗後，核心技術團隊在關(guan) 鍵技術上取得了突破性進展，並在實驗室成功做出了物理、化學性能皆優(you) 於(yu) 鍛件的核電重型裝備的金屬構件縮比件。

　　“我們(men) 在材料、設備、工藝研發設計上，整套流程都擁有自主知識產(chan) 權。我們(men) 通過國家專(zhuan) 利局檢索了這個(ge) 領域的所有相關(guan) 信息，國內(nei) 外沒有發現與(yu) 我們(men) 技術相似的。”朱誌宇表示，若按將增材製造技術應用於(yu) 重型大型金屬構件的研發、生產(chan) 計，南方增材是全球首家吃螃蟹的企業(ye) 。

　　與(yu) 此同時，佛山3D打印產(chan) 業(ye) 也迎來了新的發展契機。11月13日，佛山市副市長王玲在廣州與(yu) 廣東(dong) 省科技廳簽署聯合共建協議，在佛山共建省級3D打印工程技術研究開發中心；建立3D打印產(chan) 業(ye) 基地。佛山市政府將配套劃撥5000萬(wan) 元專(zhuan) 項資金，用於(yu) 支持以3D打印為(wei) 主的裝備製造產(chan) 業(ye) 技術創新。

　　金屬3D打印技術蘊藏百億(yi) 市場

　　佛山製造闖入重工業(ye) 藍海？

　　南風股份為(wei) 何會(hui) 選擇3D打印？這項技術將為(wei) 中國重工業(ye) 帶來什麽(me) ？

　　“核電代表工業(ye) 最高領域，如果在核電領域繼續有所突破，還有什麽(me) 領域的產(chan) 品我們(men) 不能生產(chan) ？”朱誌宇從(cong) 事核電業(ye) 務工作已超過20年，“核心裝備國產(chan) 化”的趨勢明顯，這讓南風股份看到了更大的市場。

　　在南方增材總經理助理李春華看來，不遠的將來，金屬增材製造將是佛山重工業(ye) 發展的一次重大突破，對佛山打造萬(wan) 億(yi) 裝備製造業(ye) 的產(chan) 業(ye) 目標具有積極意義(yi) 。

　　“風機”領域的“天花板”

　　盡管在佛山已經有26年曆史，但這家鮮少接受媒體(ti) 采訪的民營企業(ye) 仍充滿神秘感，其所從(cong) 事的領域與(yu) 佛山大多數企業(ye) 顯得“格格不入”。

　　2009年，南風股份登上創業(ye) 板首班車。“這家公司也是目前國內(nei) 通風與(yu) 空氣處理行業(ye) 唯一一家取得國家核安全局頒發的核級風機產(chan) 品的設計製造許可證的企業(ye) 。”佛山市金融辦相關(guan) 負責人當時稱，“南風股份能列入首批創業(ye) 板，主要是高科技含量比較明顯。”

　　據《中國通風及空氣處理行業(ye) 研究報告》，目前國內(nei) 該行業(ye) 企業(ye) 數量超過一萬(wan) ，但絕大多數企業(ye) 業(ye) 務局限於(yu) 普通廠房和民用建築等低端產(chan) 品，而南風股份專(zhuan) 注於(yu) 核電、地鐵和公路隧道等高端產(chan) 品應用領域，打破了國外壟斷，在這三個(ge) 細分市場的市場占有率排名分別為(wei) 第一位、前兩(liang) 位和前三位。

　　該負責人介紹，在國內(nei) 核電風機設備領域市場，南風股份的設備占有率已超過70%，但主營風機業(ye) 務受到國家核電發展的環境影響，企業(ye) 處於(yu) 一種被動式跟隨狀態。“有新的工程建設，我們(men) 的業(ye) 績就突飛猛進；沒有，我們(men) 的業(ye) 績增速就放緩。”朱誌宇說。

　　由於(yu) 國內(nei) 核電風機設備領域的市場空間存在“天花板”，再加上風機的製造方麵已經很難有大的突破，企業(ye) 決(jue) 定尋求新的突破。

　　生產(chan) 周期：從(cong) 兩(liang) 三年到兩(liang) 三個(ge) 月

　　目前在國內(nei) 核電站建設過程中，核心部件的製造技術仍掌握在國外企業(ye) 手中。核電站設備中，以最核心的部件壓力容器為(wei) 例，其作用是防止高溫高壓、放射性氣體(ti) 的腐蝕和衝(chong) 刷，就像防洪大壩一樣，是核電設備中安全等級要求最高的部件，一旦出現問題可能導致核泄漏。該部件目前高度依賴進口。國內(nei) 雖具備生產(chan) 能力，但鍛造技術與(yu) 發達國家存在差距，為(wei) 提高高端裝備產(chan) 品合格率，大多數企業(ye) 需要付出高昂的時間和資金成本。

　　飛機大型結構件的生產(chan) 以往采用傳(chuan) 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，要動用幾萬(wan) 噸級的水壓機，要大量供電，甚至需要建電廠。模具加工出來後，再用它鍛造出一個(ge) 大型結構件的毛坯，然後繼續加工各部位的細節，等到最後成型，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，通過計算機控製，用激光將合金粉末熔化，一層層堆積起來，“生長”出一個(ge) 合金部件，以前兩(liang) 三年才能做好的複雜的大型零件，現在兩(liang) 三個(ge) 月就能完成，而且隻需兩(liang) 三個(ge) 人操作。

　　“不需模具的製造”讓朱誌宇感到震撼，“增材製造技術能夠打印飛機的大型構件，那能不能打印核電站的重型金屬構件？”這一思想碰撞，令王華明感到興(xing) 奮。在推動核電重工領域的大型設備國產(chan) 化上，王華明與(yu) 公司技術團隊達成了一致。#p#分頁標題#e#

　　經過上百次實驗後，核心技術團隊在關(guan) 鍵技術上取得了突破性進展，並在實驗室成功做出了物理、化學性能皆優(you) 於(yu) 鍛件的核電重型裝備的金屬構件縮比件。

　　重工業(ye) 發展的新契機

　　百萬(wan) 千瓦級核電機組常規島耐熱高強鋼低壓整體(ti) 轉子鍛件是目前世界上所需鋼錠最大、鍛件毛坯重量最大、截麵尺寸最大、技術要求最高的實心鍛件，轉子構件重量為(wei) 170噸，其鍛坯製備需600噸級鋼錠，目前世界上隻有日本JSW(日本製鋼所)等為(wei) 數不多的幾家企業(ye) 具備製造能力。重型鍛件製造技術瓶頸的難以突破，一定程度上嚴(yan) 重影響了核電項目的建設進度和增大了設備的投資，製約了我國核電等重型裝備製造業(ye) 的發展。

    增材製造技術在核電部件製造上得到突破後，像壓力容器、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製造進行生產(chan) 。以核心部件蒸汽發生器的管板為(wei) 例，朱誌宇稱這一項的市場價(jia) 值就超過20億(yi) 美元，再加上核電站核島核心部件，市場價(jia) 值可達數百億(yi) 元。 

　　隨著增材製造技術在核電領域的成功應用，將為(wei) 南方增材打開更多全新的市場。火電機組、水電船舶等行業(ye) 重型金屬構件的製造，都可能成南方增材的增材製造項目瞄準新領域。

　　朱誌宇表示，在現代工業(ye) 中，核電產(chan) 品要求最為(wei) 嚴(yan) 格，如果在核電行業(ye) 能夠獲得承認，那麽(me) ，其它裝備領域，就很容易實現應用。

　　“打開這一扇窗後，我們(men) 發現前麵是一個(ge) 可以通達多領域的大門。我們(men) 還可以根據客戶需要，完成不同構件的個(ge) 性化定製，特別是裝備業(ye) 中一些關(guan) 鍵的金屬異形件，我們(men) 也會(hui) 嚐試進行突破。”李春華稱。

　　他表示，不遠的將來，金屬增材製造將是佛山重工業(ye) 發展的一次重大突破，對佛山打造萬(wan) 億(yi) 裝備製造業(ye) 的產(chan) 業(ye) 目標具有積極意義(yi) 。

　　核電出口的中國夢

　　最廣為(wei) 流傳(chuan) 的說法是，“出口一個(ge) 核電項目相當於(yu) 出口100萬(wan) 輛桑塔納轎車”。

　　核電領域是我國高端製造業(ye) 的代表，動輒幾百億(yi) 元的投入使這個(ge) 市場極具誘惑力。

　　上月，中國國防科技工業(ye) 局局長、國家原子能機構主任許達哲在“慶祝中國加入國際原子能機構30周年”研討會(hui) 上表示，中國將穩步推進核電建設，“到2020年，中國在運核電機組將達到5800萬(wan) 千瓦。”

　　目前，核電站的建設周期是60個(ge) 月，引入增材製造技術製造重型金屬構件，整個(ge) 周期可以壓縮到50個(ge) 月。

　　中國核電出口是與(yu) 日本、俄羅斯、法國競爭(zheng) ，核電站出口靠什麽(me) ？“一個(ge) 是價(jia) 格能不能更便宜，另一個(ge) 是建設周期能不能更短，在核電站的建設中，時間就是金錢，核電站建設需要上百億(yi) 的資金投入，如果建設周期能縮短，早一天發電就能早一天收益。” 朱誌宇稱，以前發展核電站的瓶頸是造價(jia) 高，因而電價(jia) 也高，現在壓縮周期後電價(jia) 會(hui) 比火力發電低；另外，這個(ge) 新技術的應用，也提升了產(chan) 品的性能，安全等級也提高。

　　■技術破譯

　　“金屬墨水”

　　如何變為(wei) 核電設備？

　　幾乎每個(ge) 人的童年遊戲中，都有3D打印的影子：沙灘上捧起細沙，然後小心堆成想象中的城堡。

　　與(yu) 此相似，以塑料顆粒為(wei) 材料的3D打印，對大眾(zhong) 來說已經並不陌生，在建好數學模型後，從(cong) 飲水杯到小公仔，都可以在探頭的不斷運動中逐漸堆砌成型。然而，從(cong) 幾百克的塑料公仔到幾百噸的金屬構件，中間卻相隔著天與(yu) 地的距離。

　　南方增材描述重型金屬3D打印技術是一種“原理全新的重型金屬構件短流程、綠色、精密、數字化製造新技術”。

　　如果南方增材的技術願景能夠完全實現，那麽(me) 在這幾個(ge) 形容詞背後，可能蘊藏著整個(ge) 重工業(ye) 生產(chan) 方式的顛覆：人們(men) 將可以精確操控大型金屬鍛件每一個(ge) 部位的生產(chan) ，就像用磚蓋房子一樣，精確到每一塊磚。

　　尋找不同尋常的“金屬墨水”

　　從(cong) 金屬製造和加工業(ye) 來說，3D打印基本原理是將零件數字化模型進行空間網格化，通過像素化分解成為(wei) 一個(ge) 個(ge) 空間點陣，然後利用金屬微量熔融或燒結的沉積技術，將零件一層層堆積而成。

　　業(ye) 內(nei) 人士將3D打印的過程比喻成蓋房子：“一層層往上壘磚砌牆，隻不過用的不是方磚水泥，而是工程塑料、粉末、尼龍、光敏樹脂甚至是金屬、陶瓷等不同的材料。”

　　那麽(me) ，南方增材用的“墨水”是什麽(me) ？

　　李春華介紹，南方增材的“房子”，即在核電廠的重型金屬構件。“房子”的基礎的材料是鋼，與(yu) 王華明此前在飛機大型構件使用“鈦合金”，材料是完全不同的。技術團隊必須解決(jue) “墨水”的問題。

　　3D打印與(yu) 傳(chuan) 統製造的生產(chan) 原理全然不同，材料首先要求是粉末狀或者絲(si) 狀；其次，材料的晶體(ti) 生長方向要可控製，形成原子或者分子規則排列的固體(ti) ，一層一層向上疊加，對固化反應速度也有較高的要求；最後，打印形成的產(chan) 品，要實現與(yu) 傳(chuan) 統技術造出來的“房子”高致密度、高性能等物理指標看齊，這是關(guan) 鍵所在。

　　“在材料研發上，技術團隊投入了很長時間與(yu) 精力，經曆了多次試驗，而且檢驗過程很長，每一步調整都花了很多時間，完全是自主創新。”李春華說。最終，南方增材選用合金鋼材、絲(si) 材作為(wei) 原材料，確定了材料配方，打出金屬大房子——“重型金屬構件”。

　　核電站建設周期可快10個(ge) 月

　　相比起傳(chuan) 統鑄造工藝，增材製造技術的優(you) 勢在於(yu) “輕裝備”，隻要一台3D打印機，一道高溫電熔的“打印”工序即可見成品。

　　而在傳(chuan) 統鍛造工藝中，如果要製作一件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(wan) 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(ge) 月以上。

　　李春華說，設備和工序的減少帶來的是速度的高速提升。製作同樣50噸的核電部件，增材製造僅(jin) 需要75噸金屬粉末和線材，材料消耗是原來的一半不到；在時間上，增材製造打印機現在的速度已經能達到每24小時打印10噸，不用一個(ge) 月即可完成。

　　目前核電站的建設周期是60個(ge) 月，運用增材製造技術後，整個(ge) 周期可以壓縮到50個(ge) 月。

　　“房子”的大小不同，蓋房子的技術也有差異。金屬3D打印目前應用最成熟的是航空領域，通過激光燒結和激光熔化技術來“打印”飛機等高端產(chan) 品上的關(guan) 鍵金屬零件，而南方增材使用的則是多種高溫電熔技術。研發初期，朱誌宇說也曾采用激光技術進行實驗，但這種技術並不適用於(yu) 重型裝備，“性能雖好，但速度太慢。”

　　要“打印”一座大房子，南方增材選擇了“一次成型”。“通過設備直接‘打印’出金屬構件。”李春華介紹，通過3D打印機逐層“打印”逐層堆積，產(chan) 品後續隻需進行特殊熱處理和小餘(yu) 量的機械加工。這一方式在時間上也贏得優(you) 勢，“我們(men) 的效率是最快的”。#p#分頁標題#e#

　　無限可修複：成品率提高

　　“3D打印就是逐層向上疊，整個(ge) 過程中，材料成分都一樣，因此，整件產(chan) 品都非常均勻，高精密度也因此鑄成。”李春華介紹。而傳(chuan) 統的鍛造工藝就像拉麵條一樣，需要反複搓揉和擠壓、鍛打，生產(chan) 過程中可能會(hui) 出現缺陷，越接近中心部分，部件缺陷越容易出現，而一旦部件的芯部出現問題，整個(ge) 產(chan) 品就可能報廢。

　　他介紹道，增材製造的另一個(ge) 突出優(you) 勢是它的無限可修複性。在生產(chan) 過程中通過超聲波檢測，一旦產(chan) 品發現問題，即可進行修補。由於(yu) 增材製造的生產(chan) 過程是一層一層堆積，能保證每一部分的精密程度相同，成品的廢品率低。

　　合格率的提高，核電站建設周期的壓縮，意味著核電造價(jia) 的降低。朱誌宇估計，未來核電成本將比火力發電更低，“一項技術的應用可以使一個(ge) 傳(chuan) 統行業(ye) 成本大大降低。”