重型金属3D打印技术产业化应用取得突破

从风扇产业到核电风机领域，南方风机股份已经成为国内核电通风设备的龙头企业，如今又向“工业级3D打印”领域尝试二次创业。日前，民生证券调研南风股份后发布报告称，南方增材（南风股份子公司）与上海核工程研究设计院的合同产品—核电主蒸汽管道贯穿件样品已经完成。

如果样品检验合格，该技术将大大提高核电站安全性能，并缩短建设周期。若加上核电站核岛核心部件，市场价值可达数百亿元。这一技术也是佛山重工业发展史上的一次重大突破，对佛山实现万亿装备制造业的产业目标具有积极意义。

一．联手领军人才二次创业

南风股份相关负责人介绍，在国内核电风机设备领域，南风股份的设备市场占有率已超过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。

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。

处于核电装备领域的南风股份发现，在国内核电站建设过程中，目前核心部件的制造技术仍掌握在国外企业手中，核电站设备部分部件高度依赖进口。以核电站的大型铸锻件为例，其核心技术主要集中在日韩和欧洲，中国企业与其有差距，部分大型、复杂铸锻件尚未攻关成功，只能依靠进口，关键时候还受到其对中国出口的限制，一定程度上影响了项目的建设进程。

“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。

高端技术人才资源是企业创新的第一资源。2009年底，南风股份的技术团队在北京遇到了北京航空航天大学教授王华明。王华明是航空材料与结构研究部首席科学家、国内激光制造的学术带头人。此前，飞机大型结构件的生产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。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，等到最后成形，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，高效率地“生长”出一个合金部件。

南风股份与王华明在开发金属3D打印技术上进行合作。两者合资成立南方增材公司，成立了“重型金属构件电熔精密成型技术项目”，面向民用领域，王华明团队持有31%股份。“王华明教授带领公司技术团队，自主研发了重金属3D打印技术，是高端重大工业装备中大型、特大型关键构件制造方式的一项变革性技术。”朱志宇说。

二．填补重型金属3D打印空白

王华明核心技术团队经过上百次实验后，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。

重型金属3D打印技术产业化应用的突破，在国内属于空白。在3D打印的应用领域，核电又是一块处女地。南方增材相关负责人表示，重型金属3D打印技术是一种国际首创的重型金属构件短流程、绿色、精密、数字化的增材制造新技术，可广泛应用于百万千瓦核电装备、百万千瓦超临界和超超临界火电机组，以及水电、石化、冶金、船舶等现代重大工业装备合金钢等重型金属构件的制造。

“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。

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。

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。

朱志宇认为，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，南方增材瞄准的是核电装备，涉及传统重工业行业这个新技术的应用，提升了产品的性能，也提高了安全等级。

三．推动3D打印在制造中应用

经过30多年的快速发展，珠江西岸已发展成为广东省重要的装备制造业生产基地，初步形成了产业特色鲜明、具有一定规模和技术水平的装备制造业体系，为发展先进装备制造业奠定了坚实的基础。《佛山市打造万亿规模先进装备制造业产业基地工作方案》要求加快工业机器人、3D打印等先进制造技术在生产过程中的应用。

今年年初，南方风机股份控股子公司南方增材与上海核工程研究设计院签订了《核电主蒸汽管道贯穿件模拟件增材制造技术支持与服务合同》。在合作的基础上，2015年，企业将完成模拟件的验证，通过实验数据验证模拟件可取代传统冶炼、锻造工艺制造的产品，在力学、性能等指标上达到核工业领域的标准。

“核电代表工业最高领域，如果顺利达到了各项标准，这样一项全新工艺就可以在其他装备领域的生产制造中运用。”朱志宇称。

增材制造技术在核电部件制造上得到突破后，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20亿美金，再加上核电站核岛核心部件，市场价值可达数百亿元。

“通过3D打印，我们可以根据客户需要，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，也可尝试进行突破。”南方增材总经理助理李春华说道。

近年来，增材制造、新材料、大数据等技术突破和广泛应用，正推动制造业生产方式的深刻变革。李春华表示，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。

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