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不久的將來，人們可以設(shè)想這樣的顛覆性場景：在位于獅山的3D打印車間內(nèi)，特殊的金屬粉末一層一層疊加，最終將逐漸成為直徑數(shù)米、重達(dá)數(shù)百噸的金屬構(gòu)件。而在傳統(tǒng)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(jìn)行冶煉澆注，還要經(jīng)過萬噸以上機(jī)器的鍛造和熱處理。

佛山民營企業(yè)南風(fēng)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(xiàng)目：開發(fā)金屬3D打印技術(shù)，“打印”可用于核電站的大件金屬構(gòu)件。

南方增材負(fù)責(zé)人介紹，相比傳統(tǒng)技藝，這一金屬3D打印的耗時(shí)劇減；完全實(shí)現(xiàn)數(shù)控化的軌跡控制，產(chǎn)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(shí)現(xiàn)無限可修復(fù)。

南方增材斥資1.68億元

開發(fā)金屬3D打印技術(shù)

在南風(fēng)股份小塘新廠區(qū)的3D打印車間內(nèi)，一座高達(dá)兩層樓、占地約400平方米的機(jī)器矗立在廠房的一角，它正是南方增材即將用于核電領(lǐng)域關(guān)鍵主設(shè)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(shí)4年的自主研發(fā)成果，它首次將“重型金屬構(gòu)件電熔精密成型技術(shù)”(下稱“增材制造技術(shù)”)應(yīng)用于核領(lǐng)域，這一技術(shù)廣義上的說法即3D打印。

廠房內(nèi)的構(gòu)件成型區(qū)內(nèi)放著三個(gè)大小各異的金屬筒體構(gòu)件，形狀中空，構(gòu)件表面質(zhì)地均勻，最大一個(gè)直徑達(dá)2米、重達(dá)10噸。這正是重型金屬3D打印技術(shù)“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(shù)之一，它的學(xué)術(shù)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(tǒng)制造業(yè)的“減材制造”相對(duì)應(yīng)。依據(jù)物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過成型設(shè)備，以材料累加的方式制成實(shí)物模型。

在3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域，核電尚是一塊處女地。南方增材可成功運(yùn)用增材制造技術(shù)在重型大型金屬構(gòu)件領(lǐng)域，一次成型地打造出直徑6米、重達(dá)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(zhì)作品，大多只是小尺寸的機(jī)械零部件。

“打造一個(gè)大型鍛件要幾百噸鋼材和三年的時(shí)間，做完后只要檢驗(yàn)不合格，幾千萬元就打水漂了。”南方增材董事總經(jīng)理朱志宇說，傳統(tǒng)的鍛造工藝要求高，流程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，需要多套設(shè)備配套完成，導(dǎo)致核電成本居高不下。公司希望能找到一種新的技術(shù)提高成功率、縮短生產(chǎn)周期。于是朱志宇和他的團(tuán)隊(duì)通過各種渠道，在國內(nèi)各地尋找技術(shù)合作伙伴。

2009年底，朱志宇和他的團(tuán)隊(duì)在北京遇到了北京航空航天大學(xué)教授、激光增材制造領(lǐng)域?qū)＜彝跞A明，明確在開發(fā)金屬3D打印技術(shù)上的合作。

經(jīng)過上百次實(shí)驗(yàn)后，核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)在關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，并在實(shí)驗(yàn)室成功做出了物理、化學(xué)性能皆優(yōu)于鍛件的核電重型裝備的金屬構(gòu)件縮比件。

“我們?cè)诓牧稀⒃O(shè)備、工藝研發(fā)設(shè)計(jì)上，整套流程都擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。我們通過國家專利局檢索了這個(gè)領(lǐng)域的所有相關(guān)信息，國內(nèi)外沒有發(fā)現(xiàn)與我們技術(shù)相似的。”朱志宇表示，若按將增材制造技術(shù)應(yīng)用于重型大型金屬構(gòu)件的研發(fā)、生產(chǎn)計(jì)，南方增材是全球首家吃螃蟹的企業(yè)。

與此同時(shí)，佛山3D打印產(chǎn)業(yè)也迎來了新的發(fā)展契機(jī)。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(lián)合共建協(xié)議，在佛山共建省級(jí)3D打印工程技術(shù)研究開發(fā)中心；建立3D打印產(chǎn)業(yè)基地。佛山市政府將配套劃撥5000萬元專項(xiàng)資金，用于支持以3D打印為主的裝備制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。

金屬3D打印技術(shù)蘊(yùn)藏百億市場

佛山制造闖入重工業(yè)藍(lán)海？

南風(fēng)股份為何會(huì)選擇3D打印？這項(xiàng)技術(shù)將為中國重工業(yè)帶來什么？

“核電代表工業(yè)最高領(lǐng)域，如果在核電領(lǐng)域繼續(xù)有所突破，還有什么領(lǐng)域的產(chǎn)品我們不能生產(chǎn)？”朱志宇從事核電業(yè)務(wù)工作已超過20年，“核心裝備國產(chǎn)化”的趨勢(shì)明顯，這讓南風(fēng)股份看到了更大的市場。

在南方增材總經(jīng)理助理李春華看來，不遠(yuǎn)的將來，金屬增材制造將是佛山重工業(yè)發(fā)展的一次重大突破，對(duì)佛山打造萬億裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)具有積極意義。

“風(fēng)機(jī)”領(lǐng)域的“天花板”

盡管在佛山已經(jīng)有26年歷史，但這家鮮少接受媒體采訪的民營企業(yè)仍充滿神秘感，其所從事的領(lǐng)域與佛山大多數(shù)企業(yè)顯得“格格不入”。

2009年，南風(fēng)股份登上創(chuàng)業(yè)板首班車。“這家公司也是目前國內(nèi)通風(fēng)與空氣處理行業(yè)唯一一家取得國家核安全局頒發(fā)的核級(jí)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造許可證的企業(yè)。”佛山市金融辦相關(guān)負(fù)責(zé)人當(dāng)時(shí)稱，“南風(fēng)股份能列入首批創(chuàng)業(yè)板，主要是高科技含量比較明顯。”

據(jù)《中國通風(fēng)及空氣處理行業(yè)研究報(bào)告》，目前國內(nèi)該行業(yè)企業(yè)數(shù)量超過一萬，但絕大多數(shù)企業(yè)業(yè)務(wù)局限于普通廠房和民用建筑等低端產(chǎn)品，而南風(fēng)股份專注于核電、地鐵和公路隧道等高端產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，打破了國外壟斷，在這三個(gè)細(xì)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(fù)責(zé)人介紹，在國內(nèi)核電風(fēng)機(jī)設(shè)備領(lǐng)域市場，南風(fēng)股份的設(shè)備占有率已超過70%，但主營風(fēng)機(jī)業(yè)務(wù)受到國家核電發(fā)展的環(huán)境影響，企業(yè)處于一種被動(dòng)式跟隨狀態(tài)。“有新的工程建設(shè)，我們的業(yè)績就突飛猛進(jìn)；沒有，我們的業(yè)績?cè)鏊倬头啪彙！敝熘居钫f。

由于國內(nèi)核電風(fēng)機(jī)設(shè)備領(lǐng)域的市場空間存在“天花板”，再加上風(fēng)機(jī)的制造方面已經(jīng)很難有大的突破，企業(yè)決定尋求新的突破。

生產(chǎn)周期：從兩三年到兩三個(gè)月

目前在國內(nèi)核電站建設(shè)過程中，核心部件的制造技術(shù)仍掌握在國外企業(yè)手中。核電站設(shè)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(shè)備中安全等級(jí)要求最高的部件，一旦出現(xiàn)問題可能導(dǎo)致核泄漏。該部件目前高度依賴進(jìn)口。國內(nèi)雖具備生產(chǎn)能力，但鍛造技術(shù)與發(fā)達(dá)國家存在差距，為提高高端裝備產(chǎn)品合格率，大多數(shù)企業(yè)需要付出高昂的時(shí)間和資金成本。

飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)以往采用傳統(tǒng)的鍛造和機(jī)械加工等方法，光大型模具的加工就要用一年以上的時(shí)間，要?jiǎng)佑脦兹f噸級(jí)的水壓機(jī)，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(gè)大型結(jié)構(gòu)件的毛坯，然后繼續(xù)加工各部位的細(xì)節(jié)，等到最后成型，幾乎90%的材料都被切削、浪費(fèi)。

王華明創(chuàng)新了一條截然不同的道路，通過計(jì)算機(jī)控制，用激光將合金粉末熔化，一層層堆積起來，“生長”出一個(gè)合金部件，以前兩三年才能做好的復(fù)雜的大型零件，現(xiàn)在兩三個(gè)月就能完成，而且只需兩三個(gè)人操作。

“不需模具的制造”讓朱志宇感到震撼，“增材制造技術(shù)能夠打印飛機(jī)的大型構(gòu)件，那能不能打印核電站的重型金屬構(gòu)件？”這一思想碰撞，令王華明感到興奮。在推動(dòng)核電重工領(lǐng)域的大型設(shè)備國產(chǎn)化上，王華明與公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)達(dá)成了一致。

經(jīng)過上百次實(shí)驗(yàn)后，核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)在關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，并在實(shí)驗(yàn)室成功做出了物理、化學(xué)性能皆優(yōu)于鍛件的核電重型裝備的金屬構(gòu)件縮比件。

重工業(yè)發(fā)展的新契機(jī)

百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組常規(guī)島耐熱高強(qiáng)鋼低壓整體轉(zhuǎn)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(shù)要求最高的實(shí)心鍛件，轉(zhuǎn)子構(gòu)件重量為170噸，其鍛坯制備需600噸級(jí)鋼錠，目前世界上只有日本JSW(日本制鋼所)等為數(shù)不多的幾家企業(yè)具備制造能力。重型鍛件制造技術(shù)瓶頸的難以突破，一定程度上嚴(yán)重影響了核電項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)度和增大了設(shè)備的投資，制約了我國核電等重型裝備制造業(yè)的發(fā)展。