袁宏 何戈寧 李磊 胡彧 田雅婧

摘 要

近年來(lái)，金屬3D打印工藝技術(shù)迅猛發(fā)展。作為新一代制造技術(shù)，具有不受零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)任意復(fù)雜形狀零件的快速、優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)、全智能化和全柔性化制造。目前典型的3D打印工藝主要有電弧增材制造、電子束選區(qū)熔化、金屬激光近凈成形和激光選區(qū)熔化成形，通過(guò)對(duì)典型的3D打印工藝進(jìn)行深入比較，抓住其設(shè)計(jì)思想，直接應(yīng)用于核電行業(yè)，具有極佳的發(fā)展前景及重大的戰(zhàn)略意義，對(duì)促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步與裝備性能提升有重要意義目的。

關(guān)鍵詞

3D打印技術(shù);核電設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)： TM623;TP391.73 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 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打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印又叫增材制造（AM），于20世紀(jì)90年代開(kāi)始發(fā)展，目前已趨成熟[1]。3D打印是有別于傳統(tǒng)制造工藝的新一代制造技術(shù)，被譽(yù)為將是引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)之一[2]。早在2012年，美國(guó)在《先進(jìn)制造國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》（2012年2月）及《國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃》（2012年3月）等戰(zhàn)略規(guī)劃中，就已將3D打印列為未來(lái)美國(guó)最關(guān)鍵的制造技術(shù)之一[3]。我國(guó)在2015年5月8日發(fā)布的《中國(guó)制造2025》規(guī)劃中，也已明確將3D打印列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域[4]。

3D打印以數(shù)字CAD模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用類(lèi)似數(shù)學(xué)積分的疊加法制造原理，將三維實(shí)體的制造降階為二維截面逐點(diǎn)逐層累加制造的方法，實(shí)現(xiàn)了三維零件的降維成形，不受零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)任意復(fù)雜形狀零件的快速、優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)、全智能化和全柔性化制造[5]。3D打印是先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，是近三十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的高端數(shù)字化制造技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的等材制造（制造過(guò)程中ΔM=0，如鑄造、鍛造等），減材制造（ΔM<0，如車(chē)銑刨磨鉆鏜等），是一種“自下而上”的材料累加成形的制造方法，體現(xiàn)了信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與先進(jìn)材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的密切結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了制造方式從等材、減材到增材的重大轉(zhuǎn)變，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式。

金屬激光增材制造技術(shù)作為增材制造技術(shù)中最具前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造和智能制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。金屬增材制造技術(shù)是以高能束流（激光束/電子束/電弧等）作為熱源，通過(guò)熔化粉材或絲材實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件逐層堆積成形。根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）增材制造委員會(huì)F42于2012年1月頒布的標(biāo)準(zhǔn)之“增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)用語(yǔ)ASTM F2792-12”，根據(jù)所采用能量源和成形材料的不同，典型的金屬增材制造主要包括激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束選區(qū)熔化（EBM）、激光近凈成形技術(shù)（LENS）、電子束熔絲沉積成形（EBFF）和電弧增材制造（WAAM）[6]，如圖1所示。

近年來(lái)，金屬3D打印工藝技術(shù)迅猛發(fā)展。以激光選區(qū)熔敷技術(shù)（SLM）為例，短短幾年年時(shí)間，從僅能打印200mm見(jiàn)方大小到尺寸突破1000mm，從性能僅滿足鑄件指標(biāo)到可穩(wěn)定達(dá)到鍛件水平，發(fā)展速度驚人，日新月異。

綜合來(lái)看，3D打印技術(shù)作為前沿技術(shù)，具有極佳的發(fā)展前景及重大的戰(zhàn)略意義，對(duì)促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步與裝備性能提升有重要意義。

2 典型3D打印工藝的比較

2.1 電弧增材制造（WAAM）

同步絲材送進(jìn)金屬增材制造技術(shù)采用電子束或電弧（CMT、MIG、TIG等）等作為熱源，將金屬絲材加熱熔化，連續(xù)堆積形成沉積層，最終形成“近形”制件。沉積層厚度為毫米量級(jí)，具有成形效率高，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合制造大型零件毛坯，成形件需要后續(xù)機(jī)械加工。但是，由于成形過(guò)程中無(wú)法添加支撐，難以制造復(fù)雜金屬構(gòu)件，尤其是具有異形內(nèi)流道和懸垂結(jié)構(gòu)的復(fù)雜構(gòu)件，成形精度低，因此很難直接用于核工業(yè)復(fù)雜構(gòu)件的成形。

過(guò)時(shí)的老舊零部件再造是核工業(yè)領(lǐng)域中很有前景的應(yīng)用方向，對(duì)于工業(yè)界其他需要老舊零部件更換的領(lǐng)域也同樣適用，充分體現(xiàn)了3D打印技術(shù)不僅可有效保障工廠設(shè)備/設(shè)施能達(dá)到預(yù)期使用壽命，甚至可以有效延長(zhǎng)其使用壽命。

西門(mén)子相關(guān)工作具有一定的實(shí)用性及效益。雖然該件為非核級(jí)部件，但體現(xiàn)了3D打印技術(shù)在核工業(yè)領(lǐng)域老舊工廠/設(shè)施替換件制造方面具有很重要的應(yīng)用價(jià)值，未來(lái)應(yīng)用潛力巨大。

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