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中国大飞机核电站试水3D打印

2015-01-29 17:17:01 来源: 财经杂志(北京)

风靡全球的3D打印技术,正在进入中国高端装备制造业:国产大飞机与三代核电站。

主要推动力量,来自北京航天航空大学教授、国家技术发明一等奖获得者王华明。他的研发团队以技术入股,分别与中航重机(600765.SH)和南风股份(300004.SZ)组建合资公司,致力于在中国高端制造领域推广3D打印。

3D打印的“增材”制造思路,确有不可比拟的优势。中国航空企业和核电设计院拥有资本与技术实力,自然捷足先登。

在国际上,以美国为首的部分发达国家,将3D打印视作制造业复兴的重要方向;同时,国内外也有不少业内人士认为,这项技术成本高、质量不稳定,对其前景看空。

对这一领域持观望态度的产业资本,更是多数。

“增材制造”

学名“增材制造”的3D打印,是近年来最热门的概念。

这一概念,与传统制造业的“减材制造”相对应,不经过机床铣、车、钻等传统“减材”切削加工,而是通过堆叠材料,来直接形成最终产品的一种制造理念。

美国总统奥巴马,在2013年国情咨文中多次提及3D打印,将其视作美国实现制造业复兴的重要途径,这让其风靡一时。

在这份国情咨文中,奥巴马展望了未来美国经济发展的蓝图,他特别强调了两大方向:产业回归和3D打印技术的广泛应用,“工人们将在美国学习和使用3D打印,这项技术可能颠覆整个工业体系”。

奥巴马的言论,经过媒体解读和放大,迅速成为全球舆论焦点。

事实上,这一概念并不新鲜,正是起源19世纪末“照相雕塑快速立体成型”的思想,业内称之为“上上世纪的思想,上世纪的技术,本世纪的市场”。

北京航天航空大学教授王华明告诉《财经》记者,增材制造技术在国内并非新鲜概念,虽然目前已在航空等领域有所突破,但短期内很难大规模应用于工业生产。

王华明是中国激光增材制造领域带头人,国家技术发明一等奖获得者。他直言,目前媒体上炒作的商业3D打印,多用于“娱乐目的”,仅仅是增材技术在非金属模型领域的应用,并不代表该项技术的发展方向。

只有高端装备制造领域的高性能金属构件生产,或生物医学支架生产等领域,才能真正发挥3D打印的高科技优势,整个打印过程宛如春蚕吐丝般,层层包裹,形成最终的形态。

这对打印材料形成了极其苛刻的要求。

目前,可供打印的材料品种主要有石膏、尼龙、树脂、金属等等,原材料的形态限定在粉末状、丝状和液体状等仅有的几大类,绝非普通意义上的“材料”。

早在二三十年前,3D打印技术已经可以使用树脂等材料制作产品。在电影《碟中谍》中,汤姆·克鲁斯利用3D打印,可以迅速复制出一张“人皮面具”,其细节早就深入人心。

近几年,3D打印可处理的材料范围扩大到了金属,这才引发了业界对3D打印的高度关注,乃至被美国政府视作重振美国制造业的重要方向。

在工业制造上,某些结构复杂的“异形”设备或零件,对加工精度和技术有着极高要求,但是,3D打印却可以轻松突破这种“几何约束”,理论上会大大降低制造难度和成本。

航空领域突破

作为中国3D打印技术产业化应用的领军人物,王华明正致力于在中国航空与核能领域推广该技术。

目前,他的团队分别与中航重机和南风股份组建了专业从事3D打印技术研发和推广的子公司“中航激光”和“南方增材”,想借助上市公司力量,推动3D打印在工业化领域的落地。王华明团队以技术入股,在两家子公司中均占股约30%。

目前,3D打印在航空领域的进展领先于核电。

中航工业董事长林左鸣曾对外表示,中国近年来在航空航天领域取得了一系列重大突破,离不开增材制造技术的飞速发展。

军用飞行器的相关设备,由于特殊需要,设计非常复杂,传统生产思路从来是做“减”法。通过切割、磨削、腐蚀、熔融等工序制作零部件,然后再拼装或焊接成最终产品。

这种制造思路,工艺复杂,难度超群,还会造成原材料的巨大浪费,成本不菲。

例如,F22战斗机的机翼和机身连接件,用传统工艺制造,需要三个锻件拼装而成。此时,3D打印的技术优势就凸显出来,使用钛合金激光3D打印技术,一气呵成。

目前正在研制中的国产大飞机C919,已经确定使用3D打印技术,生产钛合金主风挡窗框、机翼和机体衔接部位。

据介绍,中美两国都有计划在战斗机和军用运输机的部分复杂零部件生产上,使用3D打印技术。

2013年,王明华凭借“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”,摘得当年的国家技术发明奖一等奖。

但王华明坦承,由于强度和质量控制问题,飞机的关键部件还难以使用3D打印。

“传统铸造、锻造等制造产业不可替代,3D打印在成本、质量和稳定性上,都还不能与传统制造业相比。”

进军核电制造

除了航空领域,3D打印技术亦有意进军核电领域。

南风增材的成立,正是出于这样的目的。

南风增材的母公司南风股份,主营业务为空调通风设备的生产,核电通风设备占其全部产品线的比重超过60%,核电项目市场占有率超过70%。

和飞机制造同属高端装备制造的核电领域,亦有大量设计复杂精密的零部件。

尤其是三代核电,对安全性能和电站寿命提出了新的要求。相对于“二代加”核电站,三代核电站在设备制造上难度大大增加:原先可以采用焊接工艺的设备,现在需要一体化锻造;一些核级设备零部件,对工艺水准提出了更高的要求。

目前,国产设备制造商正在通过四台示范工程核电机组,实现对AP1000三代核电技术装备制造的技术消化吸收工作。

现实的尴尬是,由于制造难度大幅提升,国产装备制造厂商普遍存在产品报废率过高、工艺不稳定的情况。

“打造一个大型锻件,要几百吨钢材和三年时间,做完后只要检验不合格,几千万元就打了水漂。”南方增材董事总经理朱志宇曾在受访时表示。

南方增材希望通过3D打印技术解决这一问题。

朱志宇称,压力容器、蒸汽发生器、稳压器等大量核反应堆中的核心部件,都能通过增材制造进行生产。

目前,上海核电工程设计院与南方增材正在进行合作,计划使用3D打印技术生产蒸汽发生器管板。

但上海核电工程设计院目前的态度,只是“试试看”,并无计划在核电装备制造上全面引入3D打印,在蒸汽发生器管板方面的合作亦如此——该设备属于核级设备,双方的合作仅限于试验,暂时不会推向实际的工程运用。

上海核电工程设计院院长郑明光告诉《财经》记者,涉足3D打印的主要目的,只是为未来做储备技术。他称,核电设计院不仅要着眼于现在,更多时会为十年之后的技术发展做准备,3D打印是未来的趋势,但现在的合作仅属于试验阶段。

核电设备对安全性有极高的要求。如果3D打印技术进入核级装备的生产制造,先需要经过层层严苛认证,“这是一个漫长的过程,需要很长时间”。

对于核级设备制造商,环保部核安全局设立了严格的准入门槛:必须具备核安全局颁发的生产许可证。目前,全国持证制造商不超过50家,但无一使用3D打印技术。

“3D打印技术是一个新概念,核安全局接受和认可需要时间,这意味着需要为这项技术重新搭建一套评估体系。”郑明光说。

但郑同时认为,3D打印技术未来肯定会在核电设备制造领域拥有一席之地。部分核电设备设计精密,结构复杂,增材制造的思路,确实可以降低难度。但核电属于保守型行业,始终将安全放在首位,各方接受新技术需要一个过程。这期间,3D打印行业正好可以用以解决其稳定性问题。

近年来,核电设备国产化是业内大势所趋,南方增材有政策上的优势。该公司的逻辑更在于,核电属于高端制造业“皇冠上的明珠”,如果公司能够在该领域取得突破,那么进军其他领域就不存在任何障碍。

多位核电专业人士在受访时表示,核电行业有其特殊性,对南方增材的思路存在疑虑。

但目前,在普通产业层面,投资者也多对3D打印技术持保守态度。他们认为,3D打印目前尚未被主流制造业认可。其更可行的技术路线,是“自下而上”,先在非核领域积累经验,形成产业化实践经验,证明其实力后,再力求在核电领域获得突破。

一位来自国内知名PE的商业人士表示,3D打印技术存在多年,而产业化刚刚兴起,特别在工业领域,其应用仍属于“超级前沿行业”,“难以看清商业模式”。

风投一般在行业处于启动阶段时,才会大规模介入,而PE则是市场进入高速发展阶段才会介入。目前,对于超级前沿的3D打印产业,天使投资者也相当谨慎。


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