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不久的將來，人們可以設想這樣的顛覆性場景：在位于獅山的3D打印車間內，特殊的金屬粉末一層一層疊加，最終將逐漸成為直徑數米、重達數百噸的金屬構件。而在傳統鍛造工藝中，要制作一件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，還要經過萬噸以上機器的鍛造和熱處理。 佛山民營企業南風股份子公司南方增材科技有限公司(下稱“南方增材”)正在從事這一驚人的項目：開發金屬3D打印技術，“打印”可用于核電站的大件金屬構件。 南方增材負責人介紹，相比傳統技藝，這一金屬3D打印的耗時劇減；完全實現數控化的軌跡控制，產品精密度得以提升；更具顛覆性的是，“打印”過程中，哪里有失誤，可以像“橡皮擦”一樣消除痕跡，重新來過——實現無限可修復。 南方增材斥資1.68億元 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，一座高達兩層樓、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于核電領域關鍵主設備制造的增材制造裝備。這一裝備是南方增材斥資1.68億元、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“增材制造技術”)應用于核領域，這一技術廣義上的說法即3D打印。 廠房內的構件成型區內放著三個大小各異的金屬筒體構件，形狀中空，構件表面質地均勻，最大一個直徑達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“增材制造”或許能更好地解釋它的原理。所謂“增材制造”，是與傳統制造業的“減材制造”相對應。依據物體的三維模型數據，通過成型設備，以材料累加的方式制成實物模型。 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制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，大多只是小尺寸的機械零部件。 “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。”南方增材董事總經理朱志宇說，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。公司希望能找到一種新的技術提高成功率、縮短生產周期。于是朱志宇和他的團隊通過各種渠道，在國內各地尋找技術合作伙伴。 2009年底，朱志宇和他的團隊在北京遇到了北京航空航天大學教授、激光增材制造領域專家王華明，明確在開發金屬3D打印技術上的合作。 經過上百次實驗后，核心技術團隊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。 “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，若按將增材制造技術應用于重型大型金屬構件的研發、生產計，南方增材是全球首家吃螃蟹的企業。 與此同時，佛山3D打印產業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廣東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打印產業基地。佛山市政府將配套劃撥5000萬元專項資金，用于支持以3D打印為主的裝備制造產業技術創新。 金屬3D打印技術蘊藏百億市場 佛山制造闖入重工業藍海？ 南風股份為何會選擇3D打印？這項技術將為中國重工業帶來什么？ “核電代表工業最高領域，如果在核電領域繼續有所突破，還有什么領域的產品我們不能生產？”朱志宇從事核電業務工作已超過20年，“核心裝備國產化”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。 “風機”領域的“天花板” 盡管在佛山已經有26年歷史，但這家鮮少接受媒體采訪的民營企業仍充滿神秘感，其所從事的領域與佛山大多數企業顯得“格格不入”。 2009年，南風股份登上創業板首班車。“這家公司也是目前國內通風與空氣處理行業唯一一家取得國家核安全局頒發的核級風機產品的設計制造許可證的企業。”佛山市金融辦相關負責人當時稱，“南風股份能列入首批創業板，主要是高科技含量比較明顯。” 據《中國通風及空氣處理行業研究報告》，目前國內該行業企業數量超過一萬，但絕大多數企業業務局限于普通廠房和民用建筑等低端產品，而南風股份專注于核電、地鐵和公路隧道等高端產品應用領域，打破了國外壟斷，在這三個細分市場的市場占有率排名分別為第一位、前兩位和前三位。 該負責人介紹，在國內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。“有新的工程建設，我們的業績就突飛猛進；沒有，我們的業績增速就放緩。”朱志宇說。 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。 生產周期：從兩三年到兩三個月 目前在國內核電站建設過程中，核心部件的制造技術仍掌握在國外企業手中。核電站設備中，以最核心的部件壓力容器為例，其作用是防止高溫高壓、放射性氣體的腐蝕和沖刷，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。國內雖具備生產能力，但鍛造技術與發達國家存在差距，為提高高端裝備產品合格率，大多數企業需要付出高昂的時間和資金成本。 飛機大型結構件的生產以往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，要動用幾萬噸級的水壓機，要大量供電，甚至需要建電廠。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，通過計算機控制，用激光將合金粉末熔化，一層層堆積起來，“生長”出一個合金部件，以前兩三年才能做好的復雜的大型零件，現在兩三個月就能完成，而且只需兩三個人操作。 “不需模具的制造”讓朱志宇感到震撼，“增材制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，令王華明感到興奮。在推動核電重工領域的大型設備國產化上，王華明與公司技術團隊達成了一致。 經過上百次實驗后，核心技術團隊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。 重工業發展的新契機 百萬千瓦級核電機組常規島耐熱高強鋼低壓整體轉子鍛件是目前世界上所需鋼錠最大、鍛件毛坯重量最大、截面尺寸最大、技術要求最高的實心鍛件，轉子構件重量為170噸，其鍛坯制備需600噸級鋼錠，目前世界上只有日本JSW(日本制鋼所)等為數不多的幾家企業具備制造能力。重型鍛件制造技術瓶頸的難以突破，一定程度上嚴重影響了核電項目的建設進度和增大了設備的投資，制約了我國核電等重型裝備制造業的發展。 |
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