报告：能源行业3D打印应用，推动效率与可持续发展的新变革

南极熊导读：增材制造正在能源领域从试验阶段过渡到集中生产流程。最明显的标志是，从核能到石油天然气再到可再生能源等诸多领域，直接零件生产而非原型制作带来的收入增长势头强劲。

△VoxelMatters市场调研报告：https://www.voxelmatters.com/voxelmatters-energy-am-focus-2025-ebook/

VoxelMatters的市场数据显示，2023年能源应用领域增材制造（AM）硬件、材料和服务的总支出为5.81亿美元，2024年为7.09亿美元，同比增长22.1%。其中，金属技术是创造价值的主要驱动力，运营商利用金属增材制造技术打印涡轮机、反应堆和井下系统的功能部件。

△金属增材制造收入从 2023 年的 3.35 亿美元增长到2024 年的 4.2 亿美元，增长了 25.2%；而聚合物技术收入从 2.45 亿美元增长到 2.89 亿美元，增长了 17.9%。

增材制造正在能源领域从试验阶段走向集中生产流程。最明显的标志是，与原型制作相比，直接零件生产带来的收入增长势头强劲。VoxelMatters 的市场数据显示，2023 年能源应用领域在增材制造硬件、材料和服务方面的总支出为 5.81 亿美元，2024 年将达到7.09 亿美元，同比增长 22.1%。其中，金属技术是创造价值的主要驱动力，运营商利用增材制造技术打印涡轮机、反应堆和井下系统的功能部件。

市场数据和增长分析

硬件是持续普及应用的关键指标。金属硬件收入从2023年的2.02亿美元增长到2024年的2.52亿美元，增幅达24.8%，这反映了认证中心和运营商设施中生产级系统的调试投入使用。从长远来看，随着机队规模扩大和利用率提高，金属硬件市场将呈现复合增长态势，预计到2034年将达到21亿美元，复合年增长率（CAGR）为23.6%。

材料消耗量正加速增长，这是批量生产的标志。2024年金属材料收入增长48.5%，达到4400万美元，预计到2034年将达到8.29亿美元，年复合增长率达34.2%，这与用于高温、耐腐蚀工况的认证高温合金和不锈钢用量增加相一致。

服务在资质认证和数字化库存管理方面仍然具有重要的战略意义。在金属行业，服务规模在2024年增长了19.2%，达到1.24亿美元，预计到2034年将达到23.8亿美元，年复合增长率达34.3%，这主要得益于零部件验证、无损检测和车队整体变更管理能力的提升。在聚合物行业，服务目前占这一细分市场近60%的份额，规模从2023年的1.43亿美元增长到2024年的1.73亿美元，预计到2034年将略高于11亿美元。

这种划分反映了能源运营商如何应用每项技术：金属增材制造用于热端部件和压力边界部件，聚合物增材制造用于工具、空气动力学测试件、外壳和物流辅助设备。

多种结构性因素解释了能源行业为何发展速度远超其他相关行业。首先，能源行业运营的复杂资产承受着高热负荷和机械负荷，且几何形状各异，使用寿命长。为了应对设备老化问题，增材制造技术正被应用于老旧核电机组和成熟燃气轮机，从而无需重新铸造或使用硬模具即可实现数字化重建。

其次，偏远和离岸地区会增加停机成本和物流成本，因此分布式按需制造在经济上更具吸引力。第三，可再生能源的建设和电网级储能带来了新的外形尺寸和传热挑战，而增材制造的流体/热优化设计能够显著解决这些挑战。

△Framatome 的 3D 打印ATRIUM 11 上部连接板栅格

核能运营商如何部署增材制造技术

在核能领域，增材制造正同时应用于核电站的延寿和新建项目。西屋电气公司正利用增材制造技术延长现有核电站的寿命并建造新电站。该公司已将增材制造技术融入燃料和核电站部件的战略中，并在北欧沸水反应堆中安装了StrongHold增材制造的碎屑过滤器，并计划继续使用。在先进制造产品组合中他们运用了激光粉末床熔融（LPBF）和热丝激光焊接技术，并正在构建零件系列，以简化装配步骤，同时为流体和碎屑管理提供更多设计选择。

Framatome 已将多个 AM 组件投入商业使用，包括 Vattenfall 的 Forsmark 3 号机组的 LPBF 不锈钢燃料组件，并继续对用于多年辐照计划的上部连接板栅格和通道硬件进行认证。

△西屋电气公司正在利用增材制造技术来延长现有工厂的使用寿命并建造新工厂

BWX Technologies公司正与橡树岭国家实验室（ORNL）合作开发高温耐火材料部件 ，并探索可根据反应堆特定要求进行成型的粘结剂喷射燃料形式。美国能源部的转型挑战反应堆（TCR）计划已从一次性打印堆芯转向工业级应用方法，结合了先进制造、集成传感和数字化认证体系。ORNL的材料研究工作涵盖了从316H不锈钢辐照胶囊到钨和碳化硅的研究，为裂变和聚变两种途径提供支持。

这些努力符合运营商的近期需求：复制已停产的组件，并验证新的几何形状，从而改善传热、碎屑过滤和辐射耐受性，而无需重新开工铸造线或从头开始重新认证整个组件。

为了探究下一代核裂变技术，VoxelMatters 有机会采访了 James Walker，重点关注 Nano Nuclear 公司在反应堆开发中对增材制造技术的应用。James 详细介绍了使用增材制造技术生产的零件类型、这项技术如何加速开发，以及它在Nano Nuclear 的附属公司 Advanced Fuel Transportation Inc. (AFT)和 HALEU Energy Fuel Inc. (HEF) 中的应用。

△左图为传统的节气门笼阀，右图为经过改进设计的 3D 打印节气门笼阀

增材制造在全球石油和天然气行业中发挥着重要作用

石油和天然气运营商正在利用增材制造（AM）技术来最大限度地减少停机时间、加快现场维修速度并简化零部件。康菲石油公司在阿拉斯加的鲁斯顿燃气轮机上测试了打印的燃烧器塞和阀门，并利用增材制造技术解决了加拿大一家水处理厂的腐蚀问题，同时还与美国石油学会合作制定相关标准。

在众多举措中，壳牌利用阿姆斯特丹能源转型园区作为研发中心，与 GE Additive（现为 Colibrium Additive）合作生产镍-718 微型混合器，并与 TEAM 和 Vallourec 合作，为现场服务提供功能性 WAAM 泄漏修复夹。

Equinor 一直致力于采用大尺寸WAAM 和数字仓储技术来维持海上资产的运转，并报告声称正在与 F3nice 合作，利用回收的粉末原料制造了用于船舶驱动装置的大型打印法兰和数千个金属增材制造组件。

贝克休斯公司将PEEK长丝的研究与面向生产的零件集成相结合，其中包括使用Oqton制造软件设计的带有集成流道的一体式缓冲管。自2020年增材制造大会以来，他们已明确将增材制造作为实现可持续发展目标的关键手段。

区域生态系统正在形成

以增材制造为中心的区域性油气生态系统正在兴起，尤其是在中东地区。沙特阿拉伯国家增材制造创新公司（NAMI）由3D Systems和Dussur共同创立，正在构建一个本地化的油气供应链网络，并已获得DNV关键备件认证，计划于2025年与贝克休斯、西门子能源和Tasnee签署供应协议。

JOME Engineering 通过Vipra AM 将不锈钢阀门的生产从铸造转移到机器人金属 3D 打印，将交货时间从大约两个月缩短到不到 48 小时，并降低了备件管理的风险。

最近，Roboze与阿拉伯造船修理厂（ASRY）在巴林启动了一项增材制造智能工厂项目，旨在为海事和能源行业的客户提供工业挤出系统和数字化库存工作流程。冷喷涂供应商——包括Titomic和SPEE3D——正与DNV及区域合作伙伴建立认证框架，以验证在腐蚀性海上环境中的涂层修复和近净成型工艺。

利用增材制造技术提高可再生能源的效率

可再生能源面临着不同的限制，增材制造技术正被应用于土木结构和热端部件。GEVernova 和 voxeljet 联合开发了 VX9000，这是一种粘结剂喷射成型系统，能够打印高达 9.5 米的砂型，用于铸造大型涡轮机部件；首批成功的铸件于 2025 年在 Baettr 铸造厂完成。

△VX9000是一款粘结剂喷射成型系统，能够打印高达 9.5 米的砂型，用于铸造大型涡轮机零件。

各国国家实验室和大学正在测试用于风力涡轮机叶片的可回收热塑性塑料和大尺寸挤出工艺，其中美国国家可再生能源实验室 (NREL)、弗吉尼亚理工大学和普渡大学的研究团队致力于叶片模块化、现场制造和设计迭代速度的提升。在苏格兰，可再生能源部件有限公司 (Renewable Parts Limited)、SSE Renewables 和苏格兰国家制造研究院 (National Manufacturing Institute Scotland) 展示了利用增材制造工艺对风力涡轮机部件进行再制造的途径。

在热能方面，西门子能源的历程可以追溯到 2017 年对发动机进行测试的打印涡轮叶片，现在涵盖了 LPBF 修复、WAAM 制造的功能以及其专有的 HybridTech 在役叶片修复升级，并得到了与 Ansys 和 DNV 的模拟和认证合作的支持。

增材制造技术在核聚变领域应用

聚变技术的商业化时间表仍不明朗，但增材制造技术已成为大多数私营开发商的必备工具。联邦聚变系统公司（Commonwealth Fusion Systems）正致力于研发采用高场超导磁体的紧凑型托卡马克装置，并与英国原子能管理局合作，推进工厂规模的部署。

△ProximaFusion公司正在利用增材制造技术建造首个商用仿星器

托卡马克能源公司报告称，2022年，所研发的球形托卡马克装置实现了1亿摄氏度的等离子体温度里程碑，这是通往净能量装置的关键温度阈值。研究人员正在利用增材制造技术制造铜基射频发射器、钨部件以及用于磁约束装置的碳化硅结构，而中国的研究机构则利用增材制造技术制造用于防护壁设计的抗中子钢。

在场反转配置方案中，Helion Energy 计划采用脉冲功率提取的氘-氦-3 燃料循环，并已与微软达成了一项史无前例的承购协议；而 TAE Technologies 正在设计氢硼系统，能够以更高的温度要求换取对氚的独立性。

Type One Energy公司正尝试利用大尺寸金属增材制造技术来降低仿星器几何结构的风险，以达到设计所需的精度制造复杂的线圈和支撑结构。另一家公司Proxima Fusion刚刚完成了一轮创纪录的融资，筹集了1.3亿欧元（约合1.48亿美元），投资者希望该公司能够尽快开发出世界上第一座商业核聚变电站。Proxima Fusion正在利用增材制造技术建造首个商业仿星器。

传统制造方法难以应对仿星器线圈和支撑结构所需的复杂几何形状。增材制造技术绕过了这一瓶颈，可以直接使用聚合物、复合材料或金属高精度地构建复杂形状。在开发 UST-2 仿星器的过程中，研究人员证明，可以通过打印聚合物和复合材料线圈框架并填充增强树脂 ，实现优于 0.3 毫米的公差。同样，对 EPOS 仿星器线圈的测试表明，3D 打印的铝结构能够将位置精度和磁性能保持 在预期范围内。

深度访谈3D打印企业家·[南极熊来了]，视频系列节目，时间长度一般长达30分钟左右，干货内容非常多。

△实地探访金属3D打印厂商洛阳盈创极光