王存智,張家燦,白 亮

(中國石化工程建設(shè)有限公司,北京 100101)

增材制造技術(shù)(又稱3D打印)是一種集數(shù)字化、智能化、綠色生態(tài)化于一體的先進制造技術(shù),通過對三維數(shù)字模型進行分層處理,并借助數(shù)字化制造設(shè)備,將材料逐層疊加形成實體產(chǎn)品,目前已逐步應(yīng)用于日常用品、汽車、醫(yī)療、航天等各個領(lǐng)域。該技術(shù)十分契合石化行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展征程“創(chuàng)新驅(qū)動”、“綠色低碳”、“智能制造”的發(fā)展理念,但其目前在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少,發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景十分值得探索和挖掘。

1 增材制造技術(shù)國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)政策

新一輪數(shù)字化制作浪潮正在全球興起,為搶抓此次轉(zhuǎn)型升級機遇,國內(nèi)外紛紛將增材制造技術(shù)列為未來制造業(yè)發(fā)展的重要方向。以增材制造技術(shù)為代表的創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)成為各國“再工業(yè)化”和提升制造業(yè)國際競爭力的重要戰(zhàn)略舉措。

1.1 國外相關(guān)政策

自2009年以來,美國先后制定了“重振美國制造業(yè)框架”、“先進制造國家戰(zhàn)略計劃”等,將增材制造技術(shù)列入“全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計劃。2022年,美國白宮啟動了“增材制造技術(shù)推進(AM Forward)計劃”,旨在進一步搶占增材制造技術(shù)的戰(zhàn)略先機,加速其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進程。

歐盟于2015年斥資2.25億歐元開展增材制造技術(shù)專項研究并發(fā)布了“增材制造技術(shù)標準化路線圖”,明確了2015～2022年的增材制造標準研究計劃;德國也先后出臺了“高技術(shù)戰(zhàn)略2020”和“德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃實施建議”等政府級戰(zhàn)略文件;英國自2011年起大力扶持增材制造技術(shù)研發(fā),并且在“未來高附加值制造技術(shù)展望”中將增材制造技術(shù)定位為提高國家競爭力的主要技術(shù)之一。

日本、韓國、瑞士、新加坡等國也紛紛制定了相應(yīng)的政策積極開展增材制造技術(shù)的研究,致力于推動增材制造技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新進程,爭奪全球新技術(shù)的制高點。

1.2 國內(nèi)相關(guān)政策

2015年,習(xí)近平總書記在G20峰會上指出,“新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命正在創(chuàng)造歷史性機遇,催生互聯(lián)網(wǎng)+、分享經(jīng)濟、3D打印、智能制造等新理念、新業(yè)態(tài)”。

2015年以來,國務(wù)院及工信部等先后出臺了“中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要”、“中國制造2025”、“國家增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)”、“增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2017-2020年)”等綱領(lǐng)性文件,將增材制造技術(shù)作為提升制造業(yè)核心競爭力與發(fā)展智能制造技術(shù)的重要著力點,旨在將新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合,形成新的發(fā)展方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)和商業(yè)模式。

2 增材制造技術(shù)特點

2.1 數(shù)字化和智能化的先進制造技術(shù)

增材制造技術(shù)是基于數(shù)字化的設(shè)計文件將材料連接制作產(chǎn)品的過程,設(shè)計方通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)字化設(shè)計文件傳輸給用戶或者放到數(shù)字化平臺上,用戶通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),就可以利用數(shù)字化增材制造設(shè)備在用戶現(xiàn)場完成產(chǎn)品制造,切實做到了制造上的分散性、實時性和按需生產(chǎn)。增材制造技術(shù)與智能機器人、人工智能并稱為實現(xiàn)數(shù)字化制造的三大關(guān)鍵技術(shù)。

智能化設(shè)計平臺的搭建與研發(fā)是目前增材制造技術(shù)的重要研究方向。通過該平臺可以自動實現(xiàn)三維模型分層和打印路徑規(guī)劃,智能實現(xiàn)打印預(yù)處理和生產(chǎn)自動化,智能預(yù)測和避免零件在打印過程中發(fā)生變形、裂紋、表面質(zhì)量差等問題,從產(chǎn)品設(shè)計、綠色優(yōu)化、制造優(yōu)化到綠色評估實現(xiàn)全流程智能化制造。

2.2 柔性化和一體化的降維制造技術(shù)

增材制造技術(shù)將三維結(jié)構(gòu)分層轉(zhuǎn)化成二維結(jié)構(gòu),然后逐層疊加最終完成三維產(chǎn)品的制作,這一降維打印的特性使得增材制造技術(shù)突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)的瓶頸,一方面使得結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的零部件有了加工制造的可能性,讓產(chǎn)品設(shè)計擺脫了可制造性的約束;另一方面可以將多個零件組裝的產(chǎn)品一體化成形,簡化了制造工序,節(jié)約了制造和裝配成本。

增材制造技術(shù)由傳統(tǒng)制造技術(shù)的“制造引導(dǎo)設(shè)計”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)計引導(dǎo)制造”,極大提高了設(shè)計的自由度和制造的柔性化,為設(shè)計創(chuàng)新提供了更加靈活的設(shè)計思路和更加廣闊的創(chuàng)新空間。

2.3 定制化和個性化的快速制造技術(shù)

集中化和批量化的設(shè)計生產(chǎn)模式是傳統(tǒng)制造行業(yè)的特點和優(yōu)勢,這種特點可以做到滿足多數(shù)人的共性需求,也注定了其產(chǎn)品難以實現(xiàn)獨特性和個性化。增材制造技術(shù)采用數(shù)字化結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)計及制造方式,使用戶能夠根據(jù)自己的需求量身定制產(chǎn)品,可以快速、低成本實現(xiàn)單件制造,而且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,其制造的成本和速度效益越顯著。

因此,增材制造技術(shù)特別適合定制化和個性化的應(yīng)用領(lǐng)域,這也是增材制造技術(shù)在醫(yī)療和髙端醫(yī)療器械領(lǐng)域得以成功大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

2.4 綠色化和經(jīng)濟化的低碳制造技術(shù)

國際上通常用生命周期評價(LCA)方法對產(chǎn)品系統(tǒng)進行環(huán)境影響定量分析。目前關(guān)于增材制造技術(shù)對比傳統(tǒng)制造技術(shù)對于環(huán)境的影響尚未有定論。大量研究表明:在上游粉末以及單位能耗上,增材制造技術(shù)并沒有明顯優(yōu)勢,但是其可以實現(xiàn)原材料的充分利用,尤其是當設(shè)備輕量化和一體化程度較高時,增材制造技術(shù)在材料利用率和裝配環(huán)節(jié)呈現(xiàn)了更多優(yōu)勢【1】。

從材料的利用角度,增材制造是“凈成形”技術(shù),理論上可以實現(xiàn)材料的零損耗,減免了傳統(tǒng)制造因切削、成形而需要的成本;從運輸和裝配的角度,某些產(chǎn)品可以在用戶現(xiàn)場完成增材制造過程,增材制造技術(shù)還可以實現(xiàn)復(fù)雜零部件的一體化成形,降低運輸和裝配環(huán)節(jié)成本。

3 增材制造技術(shù)在石油化工應(yīng)用場景展望

3.1 設(shè)計研發(fā)及試驗裝置

目前增材制造技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)和模型制造環(huán)節(jié)。在燃氣輪機領(lǐng)域,增材制造技術(shù)可以將某些部件研發(fā)周期減少75%【2】;在汽車行業(yè),增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于零部件的造型評審和設(shè)計驗證【3】;在核工業(yè)領(lǐng)域,正在利用增材制造技術(shù)快速制備縮小比例的金屬零件模型來輔助研發(fā)【4】;在國防領(lǐng)域,增材制造技術(shù)更是已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、潛艇、衛(wèi)星等的模型制造和研制【5】。

在“油轉(zhuǎn)化”發(fā)展背景和“雙碳”發(fā)展目標的驅(qū)動下,近年來石化行業(yè)加快“新能源、新經(jīng)濟、新領(lǐng)域”產(chǎn)業(yè)布局,一大批“新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品”的試驗裝置正在進行建設(shè),試驗裝置的設(shè)備和產(chǎn)品研發(fā)階段的模型機具有規(guī)格小、批量少、標準化程度低的特點,利用增材制造技術(shù)可以降低其制造成本,并快速完成設(shè)備研發(fā)“設(shè)計-制造-驗證-優(yōu)化”的迭代過程,縮短研發(fā)周期。

3.2 裝備修復(fù)及再制造

對于煉化企業(yè)在生產(chǎn)運行過程中故障率高、備件儲備困難、檢修難度高、檢修速度慢的設(shè)備,如葉輪、葉片、轉(zhuǎn)子、齒輪等, 其故障檢修是企業(yè)的難點和痛點, 以常見葉輪損傷為例, 葉輪損傷占離心空壓機故障率的50%以上,當煉化企業(yè)出現(xiàn)此類故障時,由于通常沒有備件,就會面臨著故障修復(fù)成本高、質(zhì)量低、時間長等影響裝置運行的問題。

對于此類設(shè)備,可以形成基于增材制造技術(shù)的檢修預(yù)案,建立真正意義上的“數(shù)字庫存”,降低備件成本,提升檢修效率和質(zhì)量,增強煉化企業(yè)檢維修保障能力。

國外已經(jīng)廣泛將增材制造技術(shù)用于航空航天領(lǐng)域的零部件修復(fù)。德國哈弗曼公司研制了“多軸激光粉末熔化焊接系統(tǒng)”,并利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了對航空發(fā)動機鈦合金葉片等易損件的修復(fù);歐洲和德國資助了FANTASIA和TurPro項目,該項目針對壓氣機和渦輪葉片修復(fù)開展研究,以確立歐洲渦輪發(fā)動機制造商的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。

哈工大、北航等多家高校也利用增材制造技術(shù)進行了輥軸、C919大飛機核心部件、發(fā)動機渦輪葉片等零部件的修復(fù)研究【6-7】。

3.3 裝備質(zhì)量提升

增材制造技術(shù)可以做到任何部位均可實現(xiàn)數(shù)字可控,消除壁厚和位置效應(yīng)。王華明院士指出,“3D打印突破傳統(tǒng)冶金對材料制備及性能的原理性瓶頸,實現(xiàn)新一代高性能設(shè)備與復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造”【8】。

目前,石油化工領(lǐng)域存在一些具有高性能、高精度、高成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點的設(shè)備,傳統(tǒng)制造技術(shù)難以滿足設(shè)計要求,或者其質(zhì)量提升限于瓶頸。例如,壓縮機或泵葉輪,由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且性能要求較高,傳統(tǒng)銑削工藝已限制了其性能提升;一些帶內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儀表閥門、液壓元件、超高壓聚乙烯裝置異形件等,其內(nèi)部通常具有復(fù)雜的腔道供介質(zhì)流通,傳統(tǒng)制造工藝加工難度大,生產(chǎn)周期長,性能和可靠性均難以得到保證。

對于此類設(shè)備,增材制造技術(shù)正在展現(xiàn)出其天然的優(yōu)勢。西門子公司利用增材制造技術(shù)制造出帶全新內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的燃氣輪機葉片,改善了內(nèi)部散熱性能【9】;中科院采用該技術(shù)3D打印出傳統(tǒng)加工無法實現(xiàn)的微納米空洞結(jié)構(gòu)的油水分離器【10】;中廣核集團通過3D打印得到滿足國際核電標準RCC-M要求的精密儀表閥,極大縮短了制造時間【11】。

3.4 裝備減量化設(shè)計

增材制造技術(shù)可以把每個零部件都控制在最優(yōu)化的設(shè)計尺寸,并且可以獲得小尺度范圍內(nèi)具有精細結(jié)構(gòu)且性能更優(yōu)的整體式材料。對于采用傳統(tǒng)制造工藝導(dǎo)致設(shè)計裕量過高、質(zhì)量過大、材料損耗過大、零件數(shù)量較多、裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備,通過增材制造技術(shù)可以實現(xiàn)設(shè)備質(zhì)量、材料損耗量、零部件數(shù)量以及安裝工作量的減量化設(shè)計。

以壓縮機轉(zhuǎn)軸為例,空心軸具有質(zhì)量小、剛度/質(zhì)量比高、離心力小、臨界轉(zhuǎn)速高等優(yōu)勢,但是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以加工。目前已經(jīng)有單位在發(fā)動機葉輪【12】和壓縮機轉(zhuǎn)軸【13】內(nèi)部設(shè)計點陣結(jié)構(gòu)然后進行增材制造,采用該方法可減輕質(zhì)量并改善其工作性能,還可以顯著降低零件內(nèi)部殘余應(yīng)力。

多孔材料,尤其微孔分子篩,是石油化工行業(yè)常用的催化、吸附、分離材料。通過增材制造技術(shù)可以準確調(diào)控目標結(jié)構(gòu),獲得性能更優(yōu)的整體式多孔材料,緩解傳統(tǒng)細顆粒磨損造成的壓降、傳質(zhì)與熱問題。例如,Li Xin等【14】打印制備了3D-PFMZSM-5和3D-PFMY催化劑,并將其應(yīng)用于正己烷催化裂解反應(yīng)中,呈現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和低碳烯烴選擇性;Regufe等【15】制備了3D-PFM吸附劑,在壓力15 kPa、溫度30 ℃(303 K)條件下對CO2的吸附量高達1.45 mmol/g。

4 結(jié)語

增材制造技術(shù)是一種集數(shù)字制造、智能制造和綠色制造于一體的革命性技術(shù),十分契合石油化工領(lǐng)域的戰(zhàn)略方針,在提升生產(chǎn)效率、提高制造精度、降低制造成本、提升裝備質(zhì)量等方面呈現(xiàn)出了巨大的潛力。在石化行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求下,應(yīng)堅持創(chuàng)新驅(qū)動,進一步在石油化工領(lǐng)域針對設(shè)備全生命周期深入挖掘增材制造技術(shù)的應(yīng)用場景和發(fā)展前景,形成增材制造及相關(guān)技術(shù)儲備,并逐步提升其技術(shù)成果適用性,助力推動石化行業(yè)高質(zhì)量、綠色化、低耗比、多元化發(fā)展。