報告：能源行業3D打印應用，推動效率與可持續發展的新變革

南極熊導讀：增材制造正在能源領域從試驗階段過渡到集中生產流程。最明顯的標志是，從核能到石油天然氣再到可再生能源等諸多領域，直接零件生產而非原型制作帶來的收入增長勢頭強勁。

△VoxelMatters市場調研報告：https://www.voxelmatters.com/voxelmatters-energy-am-focus-2025-ebook/

VoxelMatters的市場數據顯示，2023年能源應用領域增材制造（AM）硬件、材料和服務的總支出為5.81億美元，2024年為7.09億美元，同比增長22.1%。其中，金屬技術是創造價值的主要驅動力，運營商利用金屬增材制造技術打印渦輪機、反應堆和井下系統的功能部件。

△金屬增材制造收入從 2023 年的 3.35 億美元增長到2024 年的 4.2 億美元，增長了 25.2%；而聚合物技術收入從 2.45 億美元增長到 2.89 億美元，增長了 17.9%。

增材制造正在能源領域從試驗階段走向集中生產流程。最明顯的標志是，與原型制作相比，直接零件生產帶來的收入增長勢頭強勁。VoxelMatters 的市場數據顯示，2023 年能源應用領域在增材制造硬件、材料和服務方面的總支出為 5.81 億美元，2024 年將達到7.09 億美元，同比增長 22.1%。其中，金屬技術是創造價值的主要驅動力，運營商利用增材制造技術打印渦輪機、反應堆和井下系統的功能部件。

市場數據和增長分析

硬件是持續普及應用的關鍵指標。金屬硬件收入從2023年的2.02億美元增長到2024年的2.52億美元，增幅達24.8%，這反映了認證中心和運營商設施中生產級系統的調試投入使用。從長遠來看，隨著機隊規模擴大和利用率提高，金屬硬件市場將呈現復合增長態勢，預計到2034年將達到21億美元，復合年增長率（CAGR）為23.6%。

材料消耗量正加速增長，這是批量生產的標志。2024年金屬材料收入增長48.5%，達到4400萬美元，預計到2034年將達到8.29億美元，年復合增長率達34.2%，這與用于高溫、耐腐蝕工況的認證高溫合金和不銹鋼用量增加相一致。

服務在資質認證和數字化庫存管理方面仍然具有重要的戰略意義。在金屬行業，服務規模在2024年增長了19.2%，達到1.24億美元，預計到2034年將達到23.8億美元，年復合增長率達34.3%，這主要得益于零部件驗證、無損檢測和車隊整體變更管理能力的提升。在聚合物行業，服務目前占這一細分市場近60%的份額，規模從2023年的1.43億美元增長到2024年的1.73億美元，預計到2034年將略高于11億美元。

這種劃分反映了能源運營商如何應用每項技術：金屬增材制造用于熱端部件和壓力邊界部件，聚合物增材制造用于工具、空氣動力學測試件、外殼和物流輔助設備。

多種結構性因素解釋了能源行業為何發展速度遠超其他相關行業。首先，能源行業運營的復雜資產承受著高熱負荷和機械負荷，且幾何形狀各異，使用壽命長。為了應對設備老化問題，增材制造技術正被應用于老舊核電機組和成熟燃氣輪機，從而無需重新鑄造或使用硬模具即可實現數字化重建。

其次，偏遠和離岸地區會增加停機成本和物流成本，因此分布式按需制造在經濟上更具吸引力。第三，可再生能源的建設和電網級儲能帶來了新的外形尺寸和傳熱挑戰，而增材制造的流體/熱優化設計能夠顯著解決這些挑戰。

△Framatome 的 3D 打印ATRIUM 11 上部連接板柵格

核能運營商如何部署增材制造技術

在核能領域，增材制造正同時應用于核電站的延壽和新建項目。西屋電氣公司正利用增材制造技術延長現有核電站的壽命并建造新電站。該公司已將增材制造技術融入燃料和核電站部件的戰略中，并在北歐沸水反應堆中安裝了StrongHold增材制造的碎屑過濾器，并計劃繼續使用。在先進制造產品組合中他們運用了激光粉末床熔融（LPBF）和熱絲激光焊接技術，并正在構建零件系列，以簡化裝配步驟，同時為流體和碎屑管理提供更多設計選擇。

Framatome 已將多個 AM 組件投入商業使用，包括 Vattenfall 的 Forsmark 3 號機組的 LPBF 不銹鋼燃料組件，并繼續對用于多年輻照計劃的上部連接板柵格和通道硬件進行認證。

△西屋電氣公司正在利用增材制造技術來延長現有工廠的使用壽命并建造新工廠

BWX Technologies公司正與橡樹嶺國家實驗室（ORNL）合作開發高溫耐火材料部件 ，并探索可根據反應堆特定要求進行成型的粘結劑噴射燃料形式。美國能源部的轉型挑戰反應堆（TCR）計劃已從一次性打印堆芯轉向工業級應用方法，結合了先進制造、集成傳感和數字化認證體系。ORNL的材料研究工作涵蓋了從316H不銹鋼輻照膠囊到鎢和碳化硅的研究，為裂變和聚變兩種途徑提供支持。

這些努力符合運營商的近期需求：復制已停產的組件，并驗證新的幾何形狀，從而改善傳熱、碎屑過濾和輻射耐受性，而無需重新開工鑄造線或從頭開始重新認證整個組件。

為了探究下一代核裂變技術，VoxelMatters 有機會采訪了 James Walker，重點關注 Nano Nuclear 公司在反應堆開發中對增材制造技術的應用。James 詳細介紹了使用增材制造技術生產的零件類型、這項技術如何加速開發，以及它在Nano Nuclear 的附屬公司 Advanced Fuel Transportation Inc. (AFT)和 HALEU Energy Fuel Inc. (HEF) 中的應用。

△左圖為傳統的節氣門籠閥，右圖為經過改進設計的 3D 打印節氣門籠閥

增材制造在全球石油和天然氣行業中發揮著重要作用

石油和天然氣運營商正在利用增材制造（AM）技術來最大限度地減少停機時間、加快現場維修速度并簡化零部件。康菲石油公司在阿拉斯加的魯斯頓燃氣輪機上測試了打印的燃燒器塞和閥門，并利用增材制造技術解決了加拿大一家水處理廠的腐蝕問題，同時還與美國石油學會合作制定相關標準。

在眾多舉措中，殼牌利用阿姆斯特丹能源轉型園區作為研發中心，與 GE Additive（現為 Colibrium Additive）合作生產鎳-718 微型混合器，并與 TEAM 和 Vallourec 合作，為現場服務提供功能性 WAAM 泄漏修復夾。

Equinor 一直致力于采用大尺寸WAAM 和數字倉儲技術來維持海上資產的運轉，并報告聲稱正在與 F3nice 合作，利用回收的粉末原料制造了用于船舶驅動裝置的大型打印法蘭和數千個金屬增材制造組件。

貝克休斯公司將PEEK長絲的研究與面向生產的零件集成相結合，其中包括使用Oqton制造軟件設計的帶有集成流道的一體式緩沖管。自2020年增材制造大會以來，他們已明確將增材制造作為實現可持續發展目標的關鍵手段。

區域生態系統正在形成

以增材制造為中心的區域性油氣生態系統正在興起，尤其是在中東地區。沙特阿拉伯國家增材制造創新公司（NAMI）由3D Systems和Dussur共同創立，正在構建一個本地化的油氣供應鏈網絡，并已獲得DNV關鍵備件認證，計劃于2025年與貝克休斯、西門子能源和Tasnee簽署供應協議。

JOME Engineering 通過Vipra AM 將不銹鋼閥門的生產從鑄造轉移到機器人金屬 3D 打印，將交貨時間從大約兩個月縮短到不到 48 小時，并降低了備件管理的風險。

最近，Roboze與阿拉伯造船修理廠（ASRY）在巴林啟動了一項增材制造智能工廠項目，旨在為海事和能源行業的客戶提供工業擠出系統和數字化庫存工作流程。冷噴涂供應商——包括Titomic和SPEE3D——正與DNV及區域合作伙伴建立認證框架，以驗證在腐蝕性海上環境中的涂層修復和近凈成型工藝。

利用增材制造技術提高可再生能源的效率

可再生能源面臨著不同的限制，增材制造技術正被應用于土木結構和熱端部件。GEVernova 和 voxeljet 聯合開發了 VX9000，這是一種粘結劑噴射成型系統，能夠打印高達 9.5 米的砂型，用于鑄造大型渦輪機部件；首批成功的鑄件于 2025 年在 Baettr 鑄造廠完成。

△VX9000是一款粘結劑噴射成型系統，能夠打印高達 9.5 米的砂型，用于鑄造大型渦輪機零件。

各國國家實驗室和大學正在測試用于風力渦輪機葉片的可回收熱塑性塑料和大尺寸擠出工藝，其中美國國家可再生能源實驗室 (NREL)、弗吉尼亞理工大學和普渡大學的研究團隊致力于葉片模塊化、現場制造和設計迭代速度的提升。在蘇格蘭，可再生能源部件有限公司 (Renewable Parts Limited)、SSE Renewables 和蘇格蘭國家制造研究院 (National Manufacturing Institute Scotland) 展示了利用增材制造工藝對風力渦輪機部件進行再制造的途徑。

在熱能方面，西門子能源的歷程可以追溯到 2017 年對發動機進行測試的打印渦輪葉片，現在涵蓋了 LPBF 修復、WAAM 制造的功能以及其專有的 HybridTech 在役葉片修復升級，并得到了與 Ansys 和 DNV 的模擬和認證合作的支持。

增材制造技術在核聚變領域應用

聚變技術的商業化時間表仍不明朗，但增材制造技術已成為大多數私營開發商的必備工具。聯邦聚變系統公司（Commonwealth Fusion Systems）正致力于研發采用高場超導磁體的緊湊型托卡馬克裝置，并與英國原子能管理局合作，推進工廠規模的部署。

△ProximaFusion公司正在利用增材制造技術建造首個商用仿星器

托卡馬克能源公司報告稱，2022年，所研發的球形托卡馬克裝置實現了1億攝氏度的等離子體溫度里程碑，這是通往凈能量裝置的關鍵溫度閾值。研究人員正在利用增材制造技術制造銅基射頻發射器、鎢部件以及用于磁約束裝置的碳化硅結構，而中國的研究機構則利用增材制造技術制造用于防護壁設計的抗中子鋼。

在場反轉配置方案中，Helion Energy 計劃采用脈沖功率提取的氘-氦-3 燃料循環，并已與微軟達成了一項史無前例的承購協議；而 TAE Technologies 正在設計氫硼系統，能夠以更高的溫度要求換取對氚的獨立性。

Type One Energy公司正嘗試利用大尺寸金屬增材制造技術來降低仿星器幾何結構的風險，以達到設計所需的精度制造復雜的線圈和支撐結構。另一家公司Proxima Fusion剛剛完成了一輪創紀錄的融資，籌集了1.3億歐元（約合1.48億美元），投資者希望該公司能夠盡快開發出世界上第一座商業核聚變電站。Proxima Fusion正在利用增材制造技術建造首個商業仿星器。

傳統制造方法難以應對仿星器線圈和支撐結構所需的復雜幾何形狀。增材制造技術繞過了這一瓶頸，可以直接使用聚合物、復合材料或金屬高精度地構建復雜形狀。在開發 UST-2 仿星器的過程中，研究人員證明，可以通過打印聚合物和復合材料線圈框架并填充增強樹脂 ，實現優于 0.3 毫米的公差。同樣，對 EPOS 仿星器線圈的測試表明，3D 打印的鋁結構能夠將位置精度和磁性能保持 在預期范圍內。

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