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摘要：对3D打印技术体系和国内外产业发展现状等进行了综合分析，重点阐述3D打印技术在核电设计与制造业中的潜在应用，并从设计与打印的平台开发、核级材料的应用开发、制造验收标准的开发等方面分析影响3D打印在核电装备应用的关键因素，探讨了3D打印技术对核电设计与制造变革的重要意义。
关键词：3D打印; 增材制造; 核电设计; 核电装备
前言
随着计算机技术、新工艺、新材料技术的不断进步，以3D打印技术(3D Printing Technogy)为代表的快速制造(Rapid Manufacturing) 技术发展迅速。3D打印技术，又称“增材制造”，是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术。基本原理是把一个通过设计等方式做好的3D数字模型按照某一坐标轴切成有限多个剖面，使用材料喷射、激光烧结等各种立体打印技术，逐层打印出来并按原来的位置堆积到一起，形成一个实体的立体模型。
1、3D打印技术及产业应用
3D打印技术是依托多个学科领域的综合性应用技术，集成了信息技术、精密机械、材料科学等诸多方面的前沿技术知识: 信息技术，即要有先进的设计软件及数字化工具，设计人员制作出产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向; 精密机械，即3D打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求; 材料科学，即用于3D- 打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化或丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。
2、3D打印技术在核电设计与制造业中的潜在应用
新技术的发明和应用从来都是从尖端工业领域起步的，3D打印技术也不例外。这一“增材制造”技术从航空航天产品中的零部件单件小批量的制造中起步，具有成本低和效率高的优点，在航空发动机的空心涡轮叶片、风洞模型制造和复杂精密结构件制造方面具有巨大的应用潜力。事实上，随着3D打印技术在航空航天领域不断发展和技术积累，已逐渐从实验室研制进入工业应用阶段，根据我国《核电中长期发展规划(2011-2020)》，现在及今后将建造相当规模的非能动核反应堆电站，其在设计中采用了一定数量的镍基、钴基、钨基等特殊合金部件，这些部件材料加工工艺复杂、制造难度大、容易出现性能不符合项造成报废。3D打印技术作为解决复杂形状难加工金属部件成形制造问题的潜在方案有着独特的优势。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆如果3D打印技术在核电装备中得到应用，考虑到核能敏感性和监管特殊要求，其应用领域和范围可能更多的是个别外形复杂或加工难度较高的难制造零件使用，如堆内构件导向管复杂零部件、汽水分离器复杂零部件、非核级设备可更换复杂零部件、驱动机构钩爪部件及其他辅助设施等; 在投入使用前，还必将要有计算分析、试验验证、标准准入、安全认证等大量工作要完成，这将是一个缓慢的过程。其中标准体系准入、安全认证将是3D打印技术在核电领域应用发展需要解决的主要难关。
3D打印技术在核电领域的应用程度本质上是市场需求决定的!航空航天和核电领域都存在小批量、结构复杂、制造难度大成品率低的关键结构部件，传统制造业对这些零件的制造面临这诸多困难，而制造柔性高、受零件外形限制小的3D打印在这些领域都有广阔的市场需求。未来3D打印技术将给未来核电装备提供新的实现途径，而围绕“设计与打印的平台开发”、“核级材料的应用开发”、“制造验收标准的开发”等将会是实现3D打印技术在核电装备应用的重要前提。
（1）设计与打印的平台开发: 传统的核电装备研发的设计制造过程通常为: 先进行设备部件的三维CAD设计，然后将各部件乃至系统在计算机上进行装配，形成数字化样机，随后完成虚拟样机的多学科仿真分析，优化各类设计参数，实现核电设备设计的综合目标，然后在工厂进行机械加工完成零部件制造，经装配得到最终产品。一旦3D打印技术引入核电装备设计制造，必将对设备设计流程和设计接口、设备制造过程和方法带来极大挑战。如一方面，需要开发适合3D制造系统所需的设计与成形软件，该软件能以产品设计的相应参数，自动生成打印设备的制造程序。制造系统需要数字化、智能化、自动化，另一方面，更为重要的是需要打通3D设计与3D打印的接口，开发设计软件与制造软件的集成平台，即程序上根据设计阶段形成的设备三维设计的数字模型，分析出打印的工序和加工的样式，通过3D打印设备逐层“打印”实现零部件制造，实现CAD—CAE—3D打印的设计制造一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接。这方面的成功例子很多，如我国攻克并掌握的大型金属结构件增材制造的关键技术，形成了金属材料成型软件系统和专用3D打印成套装备的集成化。
（2）核级材料的应用开发: 核电装备主要是金属材料的应用。目前可用于直接制造金属功能零件的增材制造方法主要有选区熔化、融化堆积成形等，热输入源一般为激光或者等离子束。目前已具备将单一组分金属粉末，包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴铬合金和贵重金属等，通过激光束快速熔化金属粉末获得连续的熔道，直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎金属样品的实验室阶段研究能力。而实际上，增材制造生产的金属部件合金冶炼、属凝固、成形次序等均与传统铸件、锻件迥异，加之其局部高热流输入造成的熔池分布和热影响区作用，最终部件的微观组织与传统的铸件、锻件存在明显不同。而且，由于其属于局部熔化后凝固成形，组织的均匀性还受到工艺的稳定性和波动性的直接影响。此外，由于核电站设备用核级材料对其耐辐射性、服役稳定性、可靠性和成形制造工艺成熟性有更为特殊的要求，这对3D打印技术未来在核电领域的应用提出了更高的挑战，比如金属材料成形后尺寸控制问题，成形后材料性能是否满足核电设计要求，交付的部件在核电站服役工况下的长期稳定性、疲劳可靠性和耐中子辐照性能等。
结论
增材制造已成为数字化制造的一个重要发展方向。虽然其核心技术仍处在发展的初级阶段，产业还不成熟，但在无模具、流程短、个性化、对构件复杂形状及结构无限制等方面已显示其独特优势，有着广阔的发展前景，也存在着巨大的挑战。所以，在推动3D打印技术在核电设计与制造的应用时，需要重点解决包括设计与打印的平台开发、核级材料的应用开发、制造验收标准的开发等在内的技术障碍，提升3D打印核电装备产品的设计能力、开发能力和制造能力。未来，随着仿真技术的不断进步，材料学科的不断发展，行业标准的不断完善，3D打印或许将会对核电设计和制造带来的全新变革。
参考文献
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论文作者:李书州,杜彦朋
论文发表刊物:《防护工程》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/14
标签：核电论文; 技术论文; 部件论文; 装备论文; 材料论文; 领域论文; 设备论文; 《防护工程》2017年第20期论文;