增材制造：掌握认证标准、确保可用性、推动创新

2026年7月28日 | 阅读时间：8分钟

核工业正面临着一个非常现实的挑战：许多核电站的运行时间预计将远超最初计划，而备件、合格的供应链以及完整的技术文档却越来越难以获得。与此同时，任何技术改造——即使是针对辅助系统和电站平衡系统——都必须满足对安全、可追溯性和资质认证的最高要求。在此背景下，增材制造（AM）正日益受到关注，它不再被视为一种实验性技术，而是作为一种潜在手段，旨在确保备件供应、引入更灵活的维护周期，并在严格监管的框架内实施技术改进。

为什么增材制造（AM）如今在核能领域日益受到重视

一个关键驱动因素是核设施老化的现实。全球大部分核电设施已进入高龄运行阶段，这使得维护成为一项持续的战略任务。以法国为例，58座反应堆中有39座^{将在2025年}达到40年运行年限¹。因此，部件的可用性——包括技术文档、专用工具和稳定的供应链——已成为备受关注的焦点。瓶颈不仅出现在与反应堆直接相关的部件上；辅助系统和外围系统也对维护窗口、停堆检修以及电厂的经济运行产生重大影响。

增材制造（AM）主要通过其数字化工艺链来应对这些挑战。部件既可以基于现有数据进行复制，也可以通过扫描进行逆向工程，这在处理已停产的零部件时尤为有利。与此同时，增材制造（AM）开辟了全新的设计自由度：在传统制造已达极限的领域，可以实现功能集成、内部通道或流体优化几何结构。此外，快速的迭代周期使开发和优化阶段得以大幅缩短。同时，增材制造还推动了向“下一代”材料的转变，因为与传统制造方法相比，材料变更带来的成本影响要低得多。

产品寿命周期与可用性：将AM作为构建更灵活维护周期的基石

零部件会磨损，原制造商已不复存在，且模具或完整的技术文档往往已无法获得，而交货周期却变得越来越关键。这尤其影响到辅助和外围系统——尽管这些系统并非直接关系到安全，但对工厂的可用性和生命周期性能有着重大影响。其中包括所谓的“过时零件”：这些部件虽然仍然需要，但已无法通过常规渠道采购，例如泵、阀门或辅助涡轮系统中的功能部件，以及特定的外壳或支架。虽然这些主要是金属部件，但聚合物部件也呈现出同样的趋势，例如与电气控制系统和开关相关的部件。

在此背景下增材制造新的可能性。基于现有数据或有针对性的重新设计，此类零部件不仅可以被复制，其设计还能同步进行调整，例如以提升散热性能、增强机械强度或延长使用寿命。因此，增材制造已不再仅仅是传统制造的替代方案，而是演变为一种将现有零部件适配于当今运行要求的工具。

能源公司埃奎诺尔（Equinor）提供了一个实用的工业案例：该公司多年来一直系统性地应用增材制造技术，以解决备件供应中的过时问题和风险。通过使用增材制造部件，既可避免漫长的交货周期，又能按需生产备件，并日益用数字库存数据取代实物库存。在某项应用中，就连看似微不足道的部件——例如聚合物螺钉——也通过增材制造进行了替换，从而实现了显著的成本节约。²

该方法基于3D 、数字增材制造的结合，能够对金属和聚合物部件进行重建和复制。特别是对于备件供应有限的老旧工厂而言，这有效解决了维护工作中的一个核心难题。增材制造已从一种纯粹的生产方法，演变为数字维护和备件策略不可或缺的一部分，对于偏远或难以到达的场所而言尤为如此。

该示例还说明了为什么辅助系统通常被视为增材制造应用的切入点。从监管角度来看，这些系统通常更易于管理，同时又与工厂运营密切相关。此外，增材制造如何支持更灵活的维护和维修周期也变得显而易见：与其依赖稀缺的备件和复杂且脆弱的供应链，按需生产合格零部件的能力正变得触手可及。

与安全相关的应用与性能：当增材制造不仅替代，而且提升时

除了确保备件供应外增材制造在核能领域增材制造另一项关键潜力：有针对性地改进与安全相关的功能。与机加工或铸造等传统工艺不同增材制造是直接由金属或聚合物粉末制成的。无需刀具或模具即可实现复杂的几何形状，这不仅开辟了新的设计自由度，还使得部件能够从根本上重新设计。

核燃料组件冷却过程中一个众所周知的风险是所谓的“泄漏问题”，即冷却剂回路中即使是非常微小的颗粒，随着时间的推移也会导致逐渐磨损，在极端情况下甚至会损坏燃料棒。当冷却剂回路中的微小碎屑磨损燃料棒导致铀丸暴露时，就会发生泄漏；即使是一根5毫米长的金属丝，也足以引发此类故障。虽然这种情况并不常见，但降低这一风险至关重要。传统上，更有效的过滤往往伴随着更大的压降，从而降低了电厂的整体效率。³

经过几何优化的增材制造可直接应对这一挑战：通过调整流道引导、集成过滤功能或采用功能性部件设计，能够降低风险并提高运行安全性。一个广为人知的例子是西屋公司为沸水反应堆开发的“Stronghold AM”过滤器。通过利用增材制造技术打造复杂曲折的内部流道，该过滤器不仅能够有效过滤5毫米的碎屑，还能保持与效率较低的传统设计相当的压力水平，这充分展示了增材制造如何兼顾安全与性能要求。

在各种反应器类型中，有针对性的几何结构调整带来了可量化的改进，例如更有效地去除杂质颗粒，或在不增加额外压降的情况下提升性能。最关键的并非某个单独的组件，而是其背后的原理：设计自由度和功能集成能够实现新的性能水平，前提是从一开始就始终如一地考虑合格性评估和可检性。

增材制造（AM）也为复杂的承压部件开辟了新的机遇。采用增材制造工艺制成的承压部件，其内部具有流道优化设计、高效传热特性及多样化的几何形状，充分展示了在满足严苛机械性能要求的同时如何提升部件性能。此类应用增材制造核工业认证要求的实际情况相结合，为符合认证标准的增材制造解决方案的产业化提供了坚实的基础。由于核工业必须严格遵循既定的标准和监管框架，因此制定统一的指导方针对于推动此类部件的采用至关重要。在此背景下，即将出台的 EN 13445-14 标准是一项关键进展，该标准将为增材制造设备提供相应的框架，并支持其进一步产业化。

资质：核能领域增材制造（AM）的必要基础

正因为增材制造在核能领域对可用性、可维护性和性能的贡献增材制造，资质认证不可避免地成为了关注的焦点。在核工程领域，安全不仅依赖于功能性能，更需要透明且可验证的证据来保障。材料、制造工艺、检测方法和文件记录必须在整个生命周期内保持一致并可追溯。这一点对于增材制造工艺尤为重要，因为部件的性能在很大程度上取决于工艺稳定性——例如参数设置、所用材料、构建过程本身以及后处理步骤。

不应将认证视为障碍，而应视为增材制造核增材制造发挥增材制造潜力的必要前提。在实践中，这一过程通常循序渐进：初期应用主要针对监管要求相对宽松或位于非安全关键核心系统之外的部件。随着经验的积累、可靠数据的获取以及工艺窗口的明确界定，应用范围可逐步扩大。随着国际标准化进程的推进和相关规范的日益完善，在具体操作方面，这一理念将变得更加清晰。

工艺监测在提高增材制造的可靠性方面可发挥关键作用。光学断层成像（OT）指纹识别等技术可在制造过程中实现逐层监测，从而生成零件生产的全面数字化记录。这提高了透明度，并有助于根据既定的质量要求进行验证。通过提供可追溯、数据驱动的工艺稳定性和可重复性证据，OT指纹识别技术可促进产品认证，并有助于加速增材制造技术在核工业等高度监管行业中的应用。

增材制造工程领域的早期推动力，而不仅仅是一种制造工具

增材制造在很大程度上取决于其在部件或系统生命周期中的引入时机。如果仅在生命周期的末端将增材制造作为替代制造方法应用，其作用主要局限于提高可用性和缩短交货周期。而如果更早引入增材制造——即在工程和设计阶段就加以应用——它将从根本上影响部件的构思、验证和演进方式。

特别是在核能领域，由于生命周期后期进行设计变更成本高昂且难以论证其合理性，早期设计决策的影响尤为显著。增材制造（AM）使工程师能够在更早的阶段探索功能集成、优化流道、减少材料用量、材料选择或材料利用率更高的几何结构——并借助快速迭代和物理验证来支持这些探索。因此，工程决策变得更加以数据为依据，也更少受到传统制造假设的限制。

这一转变对于下一代反应堆概念尤为重要，但也适用于现有电厂的现代化改造。如果在早期阶段就引入基于增材制造的工程设计，创新就不只是依赖于原型制作的速度，而是能够从整体上重新思考部件的设计，同时兼顾合格认证、检验和可追溯性要求。通过这种方式，增材制造一种工程赋能技术，在生产开始之前很久就塑造了研发路径。

新一代反应堆：为何增材制造能在不牺牲安全性的前提下拓展创新空间

在保障现有核电机组安全运行的同时，研发工作正日益聚焦于小型模块化反应堆（SMR）和第四代反应堆概念。这些设计通常追求更高的系统集成度、紧凑的布局、简化的厂外设备架构，以及先进的冷却和材料理念。增材制造支持这些目标，它使人们能够对高度集成的部件、紧凑的组件以及复杂的内部几何结构进行早期评估——这些在传统制造中难以实现或不切实际；同时，它还允许在设计产品时考虑到更敏捷、更具韧性的未来供应链，从而提高速度并确保零部件的供应。尽管如此，预期仍需保持现实。小型模块化反应堆（SMR）和第四代反应堆的开发周期取决于广泛的分析、测试和认证，不能通过绕过监管要求来缩短。然而，增材制造可以显著提升早期研究和概念设计阶段的效率。快速原型制作、功能验证样机以及基于几何形状的迭代，使得设计假设（如流动行为、热性能或功能集成）能够在开发过程的更早阶段得到验证。

这进一步凸显了资质认证的核心作用。当小型模块化反应堆（SMR）和先进堆型概念的增材设计从一开始就与可测试性、工艺稳定性、可检查性以及证据生成相协调时，创新便能与监管准备工作同步推进。通过这种方式，增材制造降低安全裕度，反而在一个完全符合下一代核系统严格安全与资质认证要求的框架内，拓展了工程设计自由度。