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。#p#分頁標題#e#

　　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。

    增材制造技術在核電部件制造上得到突破后，像壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器等大量核反應堆中的核心部件都能通過增材制造進行生產。以核心部件蒸汽發生器的管板為例，朱志宇稱這一項的市場價值就超過20億美元，再加上核電站核島核心部件，市場價值可達數百億元。 

　　隨著增材制造技術在核電領域的成功應用，將為南方增材打開更多全新的市場。火電機組、水電船舶等行業重型金屬構件的制造，都可能成南方增材的增材制造項目瞄準新領域。

　　朱志宇表示，在現代工業中，核電產品要求最為嚴格，如果在核電行業能夠獲得承認，那么，其它裝備領域，就很容易實現應用。

　　“打開這一扇窗后，我們發現前面是一個可以通達多領域的大門。我們還可以根據客戶需要，完成不同構件的個性化定制，特別是裝備業中一些關鍵的金屬異形件，我們也會嘗試進行突破。”李春華稱。

　　他表示，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。

　　核電出口的中國夢

　　最廣為流傳的說法是，“出口一個核電項目相當于出口100萬輛桑塔納轎車”。

　　核電領域是我國高端制造業的代表，動輒幾百億元的投入使這個市場極具誘惑力。

　　上月，中國國防科技工業局局長、國家原子能機構主任許達哲在“慶祝中國加入國際原子能機構30周年”研討會上表示，中國將穩步推進核電建設，“到2020年，中國在運核電機組將達到5800萬千瓦。”

　　目前，核電站的建設周期是60個月，引入增材制造技術制造重型金屬構件，整個周期可以壓縮到50個月。

　　中國核電出口是與日本、俄羅斯、法國競爭，核電站出口靠什么？“一個是價格能不能更便宜，另一個是建設周期能不能更短，在核電站的建設中，時間就是金錢，核電站建設需要上百億的資金投入，如果建設周期能縮短，早一天發電就能早一天收益。” 朱志宇稱，以前發展核電站的瓶頸是造價高，因而電價也高，現在壓縮周期后電價會比火力發電低；另外，這個新技術的應用，也提升了產品的性能，安全等級也提高。

　　■技術破譯

　　“金屬墨水”

　　如何變為核電設備？

　　幾乎每個人的童年游戲中，都有3D打印的影子：沙灘上捧起細沙，然后小心堆成想象中的城堡。

　　與此相似，以塑料顆粒為材料的3D打印，對大眾來說已經并不陌生，在建好數學模型后，從飲水杯到小公仔，都可以在探頭的不斷運動中逐漸堆砌成型。然而，從幾百克的塑料公仔到幾百噸的金屬構件，中間卻相隔著天與地的距離。

　　南方增材描述重型金屬3D打印技術是一種“原理全新的重型金屬構件短流程、綠色、精密、數字化制造新技術”。

　　如果南方增材的技術愿景能夠完全實現，那么在這幾個形容詞背后，可能蘊藏著整個重工業生產方式的顛覆：人們將可以精確操控大型金屬鍛件每一個部位的生產，就像用磚蓋房子一樣，精確到每一塊磚。

　　尋找不同尋常的“金屬墨水”

　　從金屬制造和加工業來說，3D打印基本原理是將零件數字化模型進行空間網格化，通過像素化分解成為一個個空間點陣，然后利用金屬微量熔融或燒結的沉積技術，將零件一層層堆積而成。

　　業內人士將3D打印的過程比喻成蓋房子：“一層層往上壘磚砌墻，只不過用的不是方磚水泥，而是工程塑料、粉末、尼龍、光敏樹脂甚至是金屬、陶瓷等不同的材料。”

　　那么，南方增材用的“墨水”是什么？

　　李春華介紹，南方增材的“房子”，即在核電廠的重型金屬構件。“房子”的基礎的材料是鋼，與王華明此前在飛機大型構件使用“鈦合金”，材料是完全不同的。技術團隊必須解決“墨水”的問題。

　　3D打印與傳統制造的生產原理全然不同，材料首先要求是粉末狀或者絲狀；其次，材料的晶體生長方向要可控制，形成原子或者分子規則排列的固體，一層一層向上疊加，對固化反應速度也有較高的要求；最后，打印形成的產品，要實現與傳統技術造出來的“房子”高致密度、高性能等物理指標看齊，這是關鍵所在。

　　“在材料研發上，技術團隊投入了很長時間與精力，經歷了多次試驗，而且檢驗過程很長，每一步調整都花了很多時間，完全是自主創新。”李春華說。最終，南方增材選用合金鋼材、絲材作為原材料，確定了材料配方，打出金屬大房子——“重型金屬構件”。

　　核電站建設周期可快10個月

　　相比起傳統鑄造工藝，增材制造技術的優勢在于“輕裝備”，只要一臺3D打印機，一道高溫電熔的“打印”工序即可見成品。

　　而在傳統鍛造工藝中，如果要制作一件50噸的核電部件，至少需要180噸的鋼錠材料，放入200噸以上的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，多達十幾道工序，需要耗時6個月以上。

　　李春華說，設備和工序的減少帶來的是速度的高速提升。制作同樣50噸的核電部件，增材制造僅需要75噸金屬粉末和線材，材料消耗是原來的一半不到；在時間上，增材制造打印機現在的速度已經能達到每24小時打印10噸，不用一個月即可完成。

　　目前核電站的建設周期是60個月，運用增材制造技術后，整個周期可以壓縮到50個月。

　　“房子”的大小不同，蓋房子的技術也有差異。金屬3D打印目前應用最成熟的是航空領域，通過激光燒結和激光熔化技術來“打印”飛機等高端產品上的關鍵金屬零件，而南方增材使用的則是多種高溫電熔技術。研發初期，朱志宇說也曾采用激光技術進行實驗，但這種技術并不適用于重型裝備，“性能雖好，但速度太慢。”

　　要“打印”一座大房子，南方增材選擇了“一次成型”。“通過設備直接‘打印’出金屬構件。”李春華介紹，通過3D打印機逐層“打印”逐層堆積，產品后續只需進行特殊熱處理和小余量的機械加工。這一方式在時間上也贏得優勢，“我們的效率是最快的”。#p#分頁標題#e#

　　無限可修復：成品率提高

　　“3D打印就是逐層向上疊，整個過程中，材料成分都一樣，因此，整件產品都非常均勻，高精密度也因此鑄成。”李春華介紹。而傳統的鍛造工藝就像拉面條一樣，需要反復搓揉和擠壓、鍛打，生產過程中可能會出現缺陷，越接近中心部分，部件缺陷越容易出現，而一旦部件的芯部出現問題，整個產品就可能報廢。

　　他介紹道，增材制造的另一個突出優勢是它的無限可修復性。在生產過程中通過超聲波檢測，一旦產品發現問題，即可進行修補。由于增材制造的生產過程是一層一層堆積，能保證每一部分的精密程度相同，成品的廢品率低。

　　合格率的提高，核電站建設周期的壓縮，意味著核電造價的降低。朱志宇估計，未來核電成本將比火力發電更低，“一項技術的應用可以使一個傳統行業成本大大降低。”