中国核动力研究院何戈宁《增材制造推动核工业领域技术创新发展》

3D打印直播
2020
11/30
12:11
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2020年11月29日上午,2020年长沙网络安全·智能制造大会在湖南长沙隆重召开。在“中国(长沙)增材制造产业发展与技术应用分论坛”上,邀请了增材制造行业的院士、专家、航空航天、装备、材料、检测等龙头企业的代表,共同探讨增材制造技术国内外发展的前景及趋势,为广大应用企业及产业链上下游单位未来的发展,提供重要的参考方向,南极熊发现众多行业知名大咖莅临现场。


来自中国核动力研究院的何戈宁主任,发表了题目为《增材制造推动核工业领域技术创新发展》的主题演讲。            

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下面是报告整理:

核能被喻为人类最有希望能够实现未来的能源之一,也是我们国家维护国家战略的基石,维护大国地位的重要国防领域标志。

我汇报的主题是:《增材制造赋能核创共进》。介绍核能领域增材制造技术研究的现状以及展望。

一、单位介绍
我来自中国核动力研究设计院,我们院是国家战略高科技研究设计院,被喻为中国核动力的工程摇篮。通过三次创业,我们院从1965年建院,先后建成了三代国家的核动力研发平台,为国防建设和国民经济建设作出了很多贡献。

今年对于核工业是个特殊的年份。50年以前,我们国家在第一艘核潜艇陆上模式堆发出了中国核能的第一度电,我们也非常高兴自主研发的第三代核电技术,华龙一号发出了第三代核电的第一度电。所以今年是个特别值得记忆的年份。在1958年的时候我们国家开始了核潜艇的项目,当时主席发出过豪言壮语:“核潜艇,一万年也要搞出来”。在1970年8月的时候,我们国家第一代潜艇陆上模式堆就正式建成了。

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现在我们院已经开发了一系列的先进的反应堆,ACP系列,我们国家自主三代的反应堆,中型堆、小型堆、行波堆、地下核电等等。

我们在核电领域的拳头产品是华龙一号,已经正式发电了,全球范围内唯一一个按计划推荐,没有拖期的三代核电技术。


二、现状与痛点
我们院是比较早开始研究3D打印的,在2015年的时候已经对ACP 100反应堆压力容器实现了3D打印制造。3D打印在核能领域有很多探索,2016年的时候中核建中在宜宾一个援建厂,也完成了燃料元件的打印,后续还有很多的尝试。这些尝试主要做的工作是用3D打印来解决快速原型的问题。没有把设计融入进去。实际上到目前为止,核级的3D打印部件,在中国国内没有实现应用。这当然是需要我们进一步去推动的事情。  
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为什么我们起了一个大早赶了一个晚集,2015年打印出来了,为什么没有应用呢?痛点问题有三个:
  • DFAM缺乏:基于3D打印设计的缺乏。之前的尝试是快速原型,有什么打什么。
  • 系统性规划的缺失:对于整个3D打印应用的价值规划产业规划都是缺失的,做了一些零敲碎打的工作,很难实现批量化的应用。
  • 标准规划的缺位:核能领域是个特殊的领域,核安全和传统的工业安全相比,对于国家、国民经济的重要性是不一样的。怎样能够建立一套标准规范体系,在这个标准规范体系下来推进3D打印的应用,是需要我们重点关注的内容。

我逐个给大家介绍一下。

第一,DFAM的缺乏。
以换热器为例子,DFAM的难度在什么地方?都说3D打印释放了设计的自由度,让复杂的设计成为了可能。DFAM难在什么地方呢?有两个关键的节点,常规设计大家都会,有设计手册、设计方法、固定的设计套路。第一步要解决的问题如果不完全考虑制造工艺,我们的设计是什么样子?这个是最难的,跳出所有的框架我们应该是什么样的设计。现在炒得比较热的是正向设计,正向设计完了以后我们需要一个什么样的功能部件,3D打印还是有一些限制的,怎么通过我们的设计把3D打印的限制考虑进去。通过这两步走才能实现基于3D打印思维的设计,因为这个是非常难的。我们这两年在这方面做了很多工作,等下给大家有一个展示。

第二,缺乏系统性的规划。
现在也在做这样的工作,基于3D打印的价值台阶,对3D打印价值链进行梳理,对整个布局进行梳理,希望有个系统性的,从更高的角度来看3D打印在核能的领域的应用。

第三,标准。
今年的2月份国家出台了增材的标准领航计划,把核工业作为一个重点推动的特色领域,要建立标准,我们也希望在这方面,跟我们的栗博士、卢老师、国内的精英团队一起,把3D打印在国内的标准建立起来,推进3D打印在核能领域的应用。
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三、国外的研究情况
看看国外在核能领域研究到什么程度了,这是今年最重磅的新闻,美国国家橡树岭国家实验室,他们的目前的项目是转型挑战反应堆TCR示范计划,他们的目标是2023年要建造一个先进的全尺寸的,包括传感器一体化打印的集成反应堆装置,可以说在核能领域抛下了大炸弹,很多领导开始关注,我们不能掉队。

实际上橡树岭国家实验室在核能领域研究远远不如核能领域的技术巨头。美国西屋电气是核能领域最大的巨头,在2014年开始系统性的布局3D打印。

在DFAM方面他们也做了很多工作,今年他们有个专利已经获得了授权,用3D打印对这个反应堆燃料格架进行了重新的设计,这方面我们跟卢老师团队也在做类似的工作,也看到了前景。  

法国的法马通在2015年开展了相关的工作,是法国核电的巨头。这是最近的新闻,他们第一阶段的辐射检测周期试验已经完成了,走到了前面。

四、示范项目
我们近期开展的工作情况,先进核能发展的需求,目前海陆空天,可能都会对核能应用有需求,对于我们装备的高效、紧凑、小型提出了前所未有的挑战。也深刻感受到了传统制造业解决这些问题已经捉襟见肘,高效、紧凑、小型也正好是3D打印的优势。我们需要系统性开展DFAM的设计,同时我们选择了换热设备作为代表,希望能够以这个点来个撬动整个3D打印在核能领域的应用,相关的工作跟卢秉恒院士团队,在他们的帮助下做了很多工作。这个项目拿到了工信部一条龙的应用示范项目。

(图)这个是我们过程中的工艺样件的试验件。
(图)这边是我们做的换热设备传热试验的照片

我们已经基于3D打印的思维完成了模块化、高效换热设备的设计。目前正在打印和试验。与传统的换热设备相比,重量、体积、零部件数量、制造周期均减小90%以上,因为重量、体积的减少,制造成本降低50%以上。

(图)传热系数可以稳定达到1万以上。
(图)3D打印换热设备与传统换热设备的比较,优势非常的明显。

我们的项目叫3D打印模块化高效换热设备,是非常复杂的结构,采用的是选区熔化技术,但尺寸有限制。尺寸限制和模块化是一对兄弟,用模块化的理念就在现在可以实现的尺寸范围内来进行设计,已经实现了设计的模块化,可以搭积木式的来完成换热器的设计,为任何一个换热功能,可以非常快的提供换热器的解决方案。
布置变得很简单了,数个数,建安就像鸡蛋壳一样的,安装非常的快。运维它非常的小,可以拆解做CT检测、再安装,运维也变得非常方便。

高效是刚才说到的制造效率非常高,运行效率也非常高。检修由于引进了模块化理念,也变得非常的简便。设计过程中采用了数字孪生技术,把这个数字计算与试验研究相结合,最后提供一个非常快速的解决方案。

这个是我们举了两个例子,左手边的模型是现有的工艺上的换热器,右手边是模块化3D打印换热器外形轮廓用框线图。质量、尺寸、零部件数量都是有非常大的提升。

目前与国内的技术相比,跟美国做换热器非常有名的做了比较,和他们在相同量级,看样子我们略有优势。

五、3D打印应用的展望
换热设备讲得比较多,只是我们选择了一个翘杆,希望以这个换热设备来撬动整个3D打印在核能领域的应用。根据我们的梳理,3D打印在核能领域的应用前景非常的广阔,包括用3D打印来做减隔振、高效泵阀部件的3D打印制造。对于一些结构化的一体化设计、减重设计实现3D打印应用,燃料组建一些关键功能部件也可以用3D打印来实现性能提升,包括仿生设计希望引入到核能领域的核能装备,新材料的研发,3D打印对卫生材料研发带来了很多可能。我们也希望能够用增材制造产业链上的各个优秀企业,包括湖南的优秀的云箭、华曙一起深入合作,推进3D打印在核能领域的应用。

这个是今年8月份的新闻,橡树岭国家实验室已经把AI技术引入到增材制造领域了,他们宣传的是叫用AI技术来保证反应堆关键部件的核级质量。目前3D打印叫智能制造,但是现阶段目前来说实现了数字化制造,智能还是有欠缺的。在这一方面我们院开始着手推进这方面的工作,也希望引起大家的重视,同时也希望跟大家一起来推进,使3D打印真正的实现智能,把获取的数据怎么能够用人工智能挖掘、处理,最后反馈回我们的制造过程或者用于控制我们的质量。

德国也在做跟橡树岭同样的事情,AI技术在3D打印的应用,下一阶段是个重点方向。现在已经实现了数字化制造,对于智能制造还需要去拥抱,包括数字孪生、大数据、人工智能、区块链,下一代的数字化技术怎么跟3D打印结合起来,这是下一阶段我们需要重点关注的。  


我的汇报就到这里,谢谢大家!





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