“這是我們爭取到的首個核電領域訂單，我們非常珍惜。雖然遇上疫情，但團隊科研工作一刻也沒有停，現在全員復工，加足馬力生產，年前積壓的訂單加上現在的新訂單，今年產能可達5000萬元左右。”4月24日，金屬3D打印“微鑄鍛”技術發明人、天昱智造首席科學家張海鷗教授談及接下來的工作，信心滿滿。

    在上月公布的2020年度國家科學技術獎受理項目公示名單中，“大型復雜高端零件微鑄鍛同步超短流程制造技術與裝備”(金屬3D打印“微鑄鍛”技術)被提名為國家技術發明獎一等獎。湖北省科技廳提名意見描述：“該重大原創性成果，有力支撐我國高端裝備自主創新，引領短流程制造技術革命和傳統工業綠色轉型升級。”

    大國重器之需，容不得半點閃失

    疫情期間，科研團隊并沒有停下手中的活，2月1日起就開啟線上辦公。從2月28日得知某核電公司招標公告，到充分討論評估，決定準備標書應標，再到3月25日開標，4月7日中標，這一個多月的經歷讓團隊成員刻骨銘心。

    此前，這一技術主要在大型復雜整體高端構件制造上廣泛應用，例如航空航天、船舶海工，這次中標是在核電領域的突破：利用金屬3D打印技術解決某核電站現場部分非核級設備備件無法及時采購，以及異形備件、專用工器具加工困難等問題，從而保障現場設備安全穩定運行。

    核電是高效、清潔、安全和經濟的能源，具有資源消耗少、環境影響小和供應能力強等許多優點。發展核電是我國社會經濟不斷發展和人民生活水平不斷提高的需要，也是優化我國能源結構、緩解環境污染和保證能源安全的需要。我國是世界上少數擁有比較完整核工業體系的國家之一，一直有序、積極的推進核電的應用。但2011年受日本福島核電事件的影響，我國核電工程建設出現滯緩，投資規模出現下降。

    我國核電站主要由三大系統構成：核島、常規島及輔助系統。核島是整個核電站的核心，負責將核能轉化為熱能，是核電站所有設備中工藝最復雜、投入成本最高的部分。常規島利用蒸汽推動汽輪機帶動發動機發電。輔助系統（BOP）主要包括數字化控制系統、暖通系統，保障核電站平穩運行。

    一般而言，核電站投資中設備、基建和其他投資的比例分別為50%、40%和10%，設備投資占比近半成。

核電站投資分布

核電設備投資分布

數據來源：公開資料整理

    3月27日，為保證國防重大項目如期完成，在武漢未完全“解封”時，張海鷗研發團隊提前返回武漢天昱智造基地，開啟復工復產工作。

    生產廠房里，弧光閃爍、機器轟鳴。一個個復雜金屬零件結合獨特微鑄鍛銑工藝，邊打印邊加工，猶如一件件藝術品誕生在生產線上。“我們通過在線采集光、電、熱、力、聲等全方位信號數據，并自寫算法建模分析進行穩定性監測與缺陷判定，實現邊鑄邊鍛、鑄鍛同步、形性同控，從而確保增材制造鍛件的高可靠性與穩定性。”團隊博士生王湘平與符友恒介紹，鑄鍛銑一體化的制造過程必須做到極致嚴謹，弧光跳動稍有異常甚至成形聲音不對，都會對鑄鍛形性造成影響。“這些高端零件都是應用于航空航天、鐵路船舶等領域的大國重器，來不得半點閃失！”

    研發十七年，潛心“中國打印”

    4月16日，一場別開生面的科學家網上直播吸引了上萬人圍觀熱議。張海鷗教授作為“主播”，介紹了金屬3D打印“微鑄鍛”技術的研發過程和現狀。來自國內知名高校的教授學者、航空航天等高端裝備制造專家、全國3D打印行業愛好者逾1.3萬人次參與交流互動。

    增材制造(又稱3D打印)是以數字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，將對傳統的工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合產生深刻影響，是制造業有代表性的顛覆性技術。

    3D打印的工作原理是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件將其離散分解成若干層平面切片，由數控成型系統利用激光束、熱熔噴嘴等方式將材料進行逐層堆積黏結，疊加成型，制造出實體產品。

    近年來，隨著3D打印研發技術的不斷突破，3D打印已經成功應用于航空航天、生物醫療、建筑、汽車等領域，并不斷取得突破性進展。第一代高通量集成化生物3D打印機的成功研制，不僅推進了3D打印醫療器械、人工組織器官的臨床轉化進程，也為3D打印技術的深化應用提供了技術支撐。

    目前，中國的3D打印應用主要集中在家電及電子消費品、模具檢測、醫療及牙科正畸、汽車及其他交通工具、航空航天等領域。

    從國內外3D打印的應用領域來看，近兩年國外各領域逐漸增強3D打印技術的應用，逐漸實現了在航空、醫療和建筑領域的應用；相比于國外3D打印技術的應用，我國3D打印更多的實現了在航空和生物醫療等領域的應用，但是其應用多以行業應用的模型為主。未來，隨著3D打印技術的不斷發展和應用，各領域將逐漸深化對該技術的應用，并且不斷拓展應用領域。

國外3D打印主要領域應用

國內3D打印主要領域應用

數據來源：公開資料整理

    3D打印機需求量較大的行業包括政府、航天和國防、醫療設備、高科技、教育業以及制造業。目前，應用領域排名前三的是工業機械、航空航天和汽車，分別占市場份額的20.0%、16.6%和13.8%。

3D打印產業應用行業占比

    傳統機械制造中，澆鑄后的金屬材料得通過鍛造解決成型問題，由于對超大鍛機過度依賴，導致機械制作投資大、成本高且制作流程長、能耗巨大并難以制作梯度功能材料零件。

    常規金屬3D打印技術同樣存在致命缺陷：綜合力學性能不及鍛件，冶金質量難以控制，設備成本和制造成本較高。

    在直播中，張海鷗教授與團隊成員回憶了攻克3D打印傳統技術難題的艱辛歷程——

    1998年，張海鷗和妻子王桂蘭從日本東京大學完成學業后回國，一起任教于華中科技大學。家離實驗室很近，用張海鷗的話說就是“700米，1300步”。即便這么近，他們還是覺得耽誤時間，索性搬來一張行軍床，困了就在實驗室里躺一躺。“后來，與學生們在破舊廠房度過了數不清的日日夜夜。印象最深的是夏天，炙熱的等離子弧灼烤著臉頰，眼睛刺得睜不開、皮膚火辣辣地疼，全身奇癢、蛻皮……”

    潛心打磨終有成。歷經17年研發，團隊開發出全球首創的多自由度協同柔性變胞輕型緊湊裝備，短流程制造出優異疲勞壽命的大型復雜鍛件，完成了內燃機過渡段等全系列微鑄鍛產品打印裝備開發。目前，產品已應用于大型飛機、航空發動機、燃氣輪機、航天、船舶、先進軌道交通等多個大國重器的裝備制造領域。

    “原創的金屬3D打印技術是中國從制造大國向制造強國轉變的推進器。我期待，不僅是中國的大飛機、大船舶能夠實現‘中國打印’，其他國家的高端裝備也能刻上‘中國打印’的烙印！”

    中國3D打印產業前景分析

    1.產業將持續高速增長

    預計未來十年，全球3D打印產業將仍處于高速增長期，預測2020年全球增材制造產值將達289億美元；而中國在不斷突破技術壁壘的過程中，產業持續增長，進入大規模產業化時期。

    2.工業3D打印將成為主流方向

    在航空航天、汽車、航海、核工業以及醫療器械領域對金屬3D打印的需求旺盛，應用端呈現快速擴展趨勢。

    3.應用深度和廣度持續擴展

    未來，3D打印技術的應用已經從簡單的概念模型向功能部件直接制造方向發展。例如在生物醫療領域，3D打印從"非活體"打印逐步進階到"活體"打印。