“ 核工業(yè)與航空航天工業(yè)都需要高質(zhì)量、高強(qiáng)度的零部件。在航空航天業(yè)，3D打印技術(shù)已經(jīng)被證明從防燃的塑料件打印，到飛機(jī)隔離艙的金屬結(jié)構(gòu)件打印，再到噴油嘴這樣的功能部件的打印是可靠、而且可行的。
同樣，3D打印技術(shù)在核工業(yè)領(lǐng)域具有不容忽視的潛力。當(dāng)前，3D打印技術(shù)已被應(yīng)用于核工業(yè)：英國的Sellafield核反應(yīng)基地通過三維掃描和3D打印技術(shù)來制造低放射性廢物容器用于移動(dòng)核反應(yīng)垃圾；印度原子能部先進(jìn)技術(shù)的Raja Ramanna中心，利用激光直接制造系統(tǒng)制作核反應(yīng)器原型；中國的中核北方核燃料元件有限公司通過選擇性激光融化技術(shù)打印燃料元件；英國核電站通過電弧焊增材制造技術(shù)制作高性能部件……”
3D打印-在核工業(yè)領(lǐng)域的探索
當(dāng)然，要滿足核工業(yè)的要求，微觀層面的機(jī)械性能很重要，包括材料的尺寸分布、組合成份、熱加工性能等。不僅僅是3D打印技術(shù)本身，包括材料的后處理達(dá)到高溫下力學(xué)性能的要求亦面臨著極大的挑戰(zhàn)。
雖然，核工業(yè)中所涉及的許多特殊材料可能并不適合當(dāng)前的3D打印技術(shù)水平，包括變頻器、壓力傳感器、激光發(fā)射、熱電池和遙控器等項(xiàng)目，不僅帶電而且還是動(dòng)態(tài)的。但是3D打印仍存在不少可嘗試的領(lǐng)域，可用于3D打印的金屬包括：鈦、鎳鉻合金、高鎳不銹鋼和其他低碳鋼。另外耐腐蝕塑料，碳纖維對高腐蝕的UF6來說是比較好的選擇。
3D打印用于核工業(yè)，一切在探索與發(fā)展中，讓我們通過幾個(gè)典型的案例更清晰地領(lǐng)略當(dāng)3D打印與核工業(yè)相遇，會(huì)帶來什么？
選擇性激光融化-中國中核北方核燃料元件的3D打印
核燃料元件制造是集設(shè)計(jì)與加工于一體的高端精密制造，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需多種工序交叉作業(yè)加工才能完成 。2016年伊始，西安鉑力特傳來好消息，其自主研發(fā)的SLM系列設(shè)備BLT-S300為中核北方核燃料元件有限公司（二〇二廠）3D打印CAP1400自主化燃料原型組件下管座。
圖片來源二〇二廠，由鉑力特BLT-S300打印
BLT-S300采用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)，通過逐層熔化金屬粉末的制造方式，完成傳統(tǒng)機(jī)械加工無法制造的復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)零件，制備的成形產(chǎn)品擁有致密性好、尺寸精度高的特點(diǎn)。同時(shí)金屬3D打印快速制造的技術(shù)特點(diǎn)，能夠縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)與制造成本，快速、高性能的實(shí)現(xiàn)核燃料元件開發(fā)與制備。
圖片來源鉑力特
目前BLT-S300在驗(yàn)收調(diào)試階段，蓄勢而發(fā)，在制備產(chǎn)品性能經(jīng)過驗(yàn)收合格后，BLT-S300將為二〇二廠3D打印各種復(fù)雜零件建造提供重要的裝備支持。
電弧焊增材制造-英國核電站自動(dòng)化增材制造單元
與現(xiàn)在所熟悉的三維打印機(jī)一樣，大型的增材制造單元可以制造高完整性部件，并將使金屬通過增材制造的方法獲得鍛件的性能。
英國的核電站增材制造自動(dòng)化單元由庫卡承建，耗資1萬歐元，占地10米x5米的增材制造單元由通過安裝在一個(gè)三軸九米龍門的六軸機(jī)器人組成，在直徑3.5米的轉(zhuǎn)盤上裝載著二軸機(jī)械手。機(jī)器人通過進(jìn)行“TOPTIG”電弧焊的方式來完成增材制造，系統(tǒng)中集成了金屬線送入焊槍，是由法國液化空氣集團(tuán)專門為機(jī)器人焊接應(yīng)用開發(fā)的。
機(jī)器人按照計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型的路徑來焊接材料以創(chuàng)建三維幾何形狀。從而創(chuàng)造近凈型零件，用于制造大型泵和閥的殼體或壓力容器，有效降低初始成本和避免昂貴的鍛件或鑄件，并且有助于避免環(huán)境污染問題。
低放射性廢物容器打印-英國Sellafield核基地的逆向工程嘗試
1940年代建設(shè)的英國Sellafield核基地是世界上最古老的核工業(yè)基地之一，該工廠的零件很多是一次性設(shè)計(jì)的，要更換這樣的零件必須是定制的，這是個(gè)昂貴且耗時(shí)的過程。3D打印技術(shù)提供了一個(gè)新機(jī)會(huì)，使得組件相對快速和容易被更換，節(jié)省了時(shí)間和納稅人的金錢。
在對40噸垃圾中轉(zhuǎn)集裝箱更換蓋子的設(shè)計(jì)方面，通過掃描和3D打印技術(shù)，單個(gè)零件不僅比傳統(tǒng)的加工方式節(jié)約了六個(gè)月的加工時(shí)間，而且還節(jié)約了4萬多美金。
反應(yīng)器模型的制造
位于法國圣保羅岡的國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆－ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)，是世界上最昂貴和最復(fù)雜的核試驗(yàn)反應(yīng)堆機(jī)構(gòu)。
ITER在美國的團(tuán)隊(duì)：美國國家橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室通過3D打印核反應(yīng)器塑料模型和金屬原型的方法來降低ITER的研究運(yùn)營成本。
在電腦中查看核反應(yīng)器設(shè)計(jì)的模型時(shí)候，通常很難對反應(yīng)器的每個(gè)部位產(chǎn)生直觀的感受，而且很容易產(chǎn)生疲勞感。3D打印的模型解決了這一問題，科學(xué)家不僅獲得直觀的感覺，并且還可以用手觸摸，提出修改意見。
來源：3dprintingindustry
金屬零件的設(shè)計(jì)探索過程中亦是如此，如果要制作一個(gè)1比1的金屬零件，那需要上噸重的材料，并且十分昂貴，通過3D打印縮小比例的金屬零件，例如打印中斷緩解系統(tǒng)的快速氣體閥門，來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷以及需要優(yōu)化的地方，從而減少設(shè)計(jì)迭代的成本，周期和環(huán)節(jié)。
來源：3dprintingindustry
同樣的嘗試，作為工程和物理科學(xué)研究理事會(huì)（EPSRC）資助的項(xiàng)目，英國劍橋大學(xué)通過3D打印模型來輔助研究釷能，以期通過尋找新時(shí)代的核動(dòng)力，幫助英國實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)和能源安全的目標(biāo)。
來源：engineering.com
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