基于金屬增材制造的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用展望

李 琛，歐陽清

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033)

《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志將增材制造技術(shù)的出現(xiàn)與興起稱之為 “第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”，對于未來創(chuàng)新性科技的產(chǎn)生和發(fā)展具有里程碑式的意義[1]?！赌戏街苣菲诳瘎t將其稱為“野蠻神器”，認(rèn)為其將給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來不小的沖擊。

增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，被廣泛運用于航天航空、國防工業(yè)，醫(yī)療整形、珠寶設(shè)計等諸多領(lǐng)域[2-5]。根據(jù)Wohlers Associates 數(shù)據(jù)顯示，在1990—2016 年的27 年間，增材制造市場規(guī)模復(fù)合年平均增速約26.2%， 其中2010—2013 年進(jìn)入快速發(fā)展期，三年平均增速達(dá)46.9%。2016 年，全球增材制造市場規(guī)模高達(dá)51.65 億美元，2016 年全球增材制造產(chǎn)品和服務(wù)市場增長25.9%。與2009 年10.69 億美元市場規(guī)模相比，增長將近5 倍[6]。但是，不難發(fā)現(xiàn)很少有關(guān)增材制造應(yīng)用于船舶制造業(yè)的消息，作為一種新興的智能制造手段，其在于船舶制造業(yè)的前景應(yīng)該是非常光明的。

本文基于金屬增材制造技術(shù)的基本概念，詳細(xì)介紹了激光選區(qū)熔化技術(shù)的基本原理和工作流程。對其在國內(nèi)外艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計中的研究應(yīng)用情況進(jìn)行了概括總結(jié)，并分析了其應(yīng)用于船舶制造業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢和瓶頸，為今后金屬增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于船舶制造業(yè)打下良好的理論基礎(chǔ)。

1 金屬增材制造概況

始于20世紀(jì)90年代的金屬增材制造技術(shù)是增材制造領(lǐng)域的一個重要分支，被譽(yù)為3D打印行業(yè)皇冠上的明珠，多用于高性能金屬構(gòu)件的直接制造，適合小批量形狀復(fù)雜產(chǎn)品的個性化制造，復(fù)雜模具型腔制造，人體醫(yī)學(xué)定制等。在非金屬原型制造的基礎(chǔ)上通過后續(xù)工藝實現(xiàn)。美國等世界主要制造大國對這一技術(shù)予以高度重視，其正處于高速發(fā)展階段。

金屬增材制造技術(shù)通常分為三類，以金屬粉末的添置方式不同加以區(qū)分[7]：

第一種是激光直接照射在金屬粉末上，按指定路徑對金屬粉末進(jìn)行熔合，逐層堆積，最終形成實體。這一種方法按技術(shù)的不同也分成三類[8-10]，如圖1所示。

圖1 激光成型技術(shù)分類

二是在國內(nèi)使用較為廣泛的激光工程化凈成形技術(shù)(Laser Engineered Net Shaping，LENS)[11]，它是采用激光直接照射噴嘴輸送的粉末流。

三是采用電子束成型技術(shù)(Electron Beam Melting，EBM)[12]，它所采用的原理與第一種方法類似，但運用的熱源不同。

目前，國內(nèi)研究最為深入的是激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)，這是一種基于3D CAD數(shù)據(jù)直接制作零件的制造工藝，在金屬粉末選擇性燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。SLM技術(shù)利用高強(qiáng)度激光直接熔化金屬粉末材料，旨在生產(chǎn)具有良好力學(xué)性能的完全致密性零件。其優(yōu)勢在于能不借助模具直接成形出任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，性能能與鍛件相媲美。同時，后處理步驟得到不斷精簡，大為縮短了生產(chǎn)時間[13-14]。SLM技術(shù)能夠滿足所有微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀結(jié)構(gòu)的零件制造需求[15]。

SLM技術(shù)的基本原理[16-18]是先在計算機(jī)上利用三維造型軟件(pro/e、UG、CATIA等)設(shè)計出零件的三維實體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，設(shè)備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。其原理圖和工作流程圖[19-20]分別如圖2、圖3所示。

圖2 SLM技術(shù)基本原理

圖3 SLM工作流程

2 金屬增材制造技術(shù)國內(nèi)外應(yīng)用概況

2.1 國外應(yīng)用概況

金屬增材制造技術(shù)這一概念最早是由德國Frauhofer 研究所于1995 年提出[21]。在全球市場占有率中，德國公司的產(chǎn)品處于主導(dǎo)地位[22]，先后涌現(xiàn)出了一大批世界先進(jìn)的增材制造公司，如EOS GmbH[23]、Voxeljet、ConceptLaser[24]和LM Solutins GmbH等。其中EOS(Electro Optical System)公司的業(yè)務(wù)橫跨亞歐美三大洲，自20世紀(jì)80年代成立以來，致力于研制開發(fā)打印機(jī)、打印材料及解決打印過程中的各種問題。不僅如此，該企業(yè)多年來專注于航空航天、醫(yī)療和汽車行業(yè)高端精密零部件的生產(chǎn)制造，取得了非凡的成就。業(yè)內(nèi)能與EOS公司相抗衡的要屬成立于20世紀(jì)90年代的Voxeljet公司，其擁有5種不同的工業(yè)3D打印平臺，采用粉末粘合(powder binding)技術(shù)，多種打印速度可供選擇，最大能打印的產(chǎn)品體積為4 000 mm×2 000 mm×1 000 mm，還擁有一個16 000平方英尺的生產(chǎn)空間作為服務(wù)中心。

除此之外，美國的Stratasys、3D Systems[22]、ExOne等，瑞典的ArcamAB企業(yè)，比利時增材制造行業(yè)的巨頭Materialise等，都在競爭日益激烈的金屬增材制造中占據(jù)不可或缺的一席之地。

有了如此強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施的支撐，國外在金屬增材制造運用于船舶海洋制造方面取得了不少輝煌的成就。馬士基船運公司在3年前，曾采用3D打印機(jī)對部分船舶備件進(jìn)行了打印實驗，通過增材制造技術(shù)的運用，其對船舶備件供應(yīng)鏈進(jìn)行了技術(shù)革新，在縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約成本以及消耗能源方面都產(chǎn)生了積極影響[25]。

美國海軍與馬士基公司在上述實驗前三個月，提出了“打印艦艇”的概念[26]，將多材料的3D打印機(jī)裝配在兩棲攻擊艦艇埃塞克斯號(Essex)上進(jìn)行測試。并于同年6月，舉行了以“打印海軍”為主題的培訓(xùn)，向海員講解3D打印和增材制造技術(shù)。埃塞克斯號的海員已經(jīng)學(xué)會了使用設(shè)計軟件和3D打印機(jī)，并打印出來了一次性醫(yī)療設(shè)備、油箱蓋和飛機(jī)模型。美國卡德洛克海軍水面作戰(zhàn)中心成功利用增材制造技術(shù)打印出了一艘美軍醫(yī)療船模型，其測試結(jié)果極具代表性，同時，他們也嘗試增材制造制作螺旋槳的研究，并獲得了大量實驗數(shù)據(jù)。美海軍未來計劃培訓(xùn)專門的3D打印兵種，當(dāng)海軍的軍事設(shè)施需要新的部件時，3D打印兵種可以在數(shù)小時至數(shù)天的時間內(nèi)將所需部件設(shè)計并打印出來，從而大大加快更新艦艇需求的速度。增材制造技術(shù)的引入，有望大幅提高海軍行動效率，減少艦隊的后勤補(bǔ)給，降低開支。包括現(xiàn)代重工、三星重工、大宇造船&海洋工程等眾多知名企業(yè)都紛紛涉足此領(lǐng)域，并取得了一定的成果[27]。

英國利用增材制造技術(shù)打印了一臺命名為SULSA無人機(jī)[26]，世界首創(chuàng)，并于2015年進(jìn)行了海上試飛實驗，于2016年正式服役，并且運用到了英國皇家海軍破冰船南極科考任務(wù)中。美國海軍研究學(xué)院也致力于增材制造無人機(jī)項目，先后根據(jù)海軍執(zhí)行不同的任務(wù)要求，打印出了性能各異的無人機(jī)。

西門子公司使用SLM技術(shù)，生產(chǎn)出了燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，將葉片安裝到了西門子SGT400型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中，并對其進(jìn)行滿負(fù)荷測試。這些葉片在燃機(jī)中被高達(dá) 1 250 ℃的高溫氣體包圍，并在內(nèi)部輸入400 ℃的空氣用于冷卻，同時它們的轉(zhuǎn)速可達(dá)13 000 r/min，承受相當(dāng)于11噸的負(fù)荷。最終這些葉片順利完成了這次滿負(fù)荷測試。這也標(biāo)志著增材制造技術(shù)離實際應(yīng)用又進(jìn)了一步[28]。

圖4 SGT400型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片

2.2 國內(nèi)應(yīng)用概況

目前國內(nèi)金屬增材制造的研究機(jī)構(gòu)主要以各大學(xué)為主，簡單概括為5大派系，3種工藝，來自北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊和西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東團(tuán)隊主要研究激光選區(qū)熔化技術(shù)[29-30]，清華大學(xué)的顏永年團(tuán)隊和西安交通大學(xué)的盧秉恒團(tuán)隊主要研究電子束選區(qū)熔化技術(shù)[31]，華中科技大學(xué)的史玉升團(tuán)隊主要研究選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)[32]。

圖5 SGT400型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)

金屬增材制造技術(shù)在我國的航空航天事業(yè)中廣泛開展，并取得了較為突出的成就，在全球范圍內(nèi)首屈一指[33]。王華明教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊一直為國產(chǎn)C919、J15、J20、J31提供航空結(jié)構(gòu)件，還包括少量的航空發(fā)動機(jī)整體葉盤，材料主要為鈦合金、鎳基高溫合金、少量高強(qiáng)鋼。他們生產(chǎn)的機(jī)翼根部受力件，通過增材制造的方法制備出來是136 kg，傳統(tǒng)的鍛件是 1 706 kg，節(jié)省材料90%以上，且各項性能測試優(yōu)于傳統(tǒng)鍛件。我國也因此一躍成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)的國家。我國具有自主研發(fā)知識產(chǎn)權(quán)的C919大型客機(jī)[29]，其主擋風(fēng)玻璃窗也是由王華明教授及其團(tuán)隊運用金屬增材制造的手段研制的，雙曲面窗框。原本只有歐洲有家公司能做，周期2年，不僅需先付200萬美元模具費，而且零件非常貴。王華明團(tuán)隊僅用時55天就完成了4大件，其中2件已經(jīng)裝上了飛機(jī)。除此之外，他還利用增材制造技術(shù)攻克了航空發(fā)動機(jī)高溫合金渦輪盤，超強(qiáng)鋼飛機(jī)起落架等諸多關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)。這些雖然不是對船舶制造業(yè)的直接研究，但為今后此領(lǐng)域各項研究的開展奠定了堅實的基礎(chǔ)，極富指導(dǎo)意義。

圖6 機(jī)翼根部模型

華中科技大學(xué)武漢光電國家實驗室(籌)在國內(nèi)率先完成了“大型金屬零件高效激光選區(qū)熔化增材制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備”。團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出運用4臺激光器同時掃描，不僅提高了打印速率，而且將增材制造能打印的高精度金屬零件的尺寸也提高了不止一個檔次。實現(xiàn)了復(fù)雜金屬的高精度成形，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。其團(tuán)隊攻克了諸多世界級技術(shù)難題，尤其是航空航天復(fù)雜精密金屬零件在材料結(jié)構(gòu)功能一體化等關(guān)鍵技術(shù)難題，受到多方密切關(guān)注[34]，這一成果的深入研究也將為增材制造技術(shù)應(yīng)用于船舶海洋大型構(gòu)件制造業(yè)奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖7 客機(jī)主擋風(fēng)玻璃

目前國內(nèi)對于金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用于船舶海洋制造的研究主要還是幾大造船研究所[28]。701 所目前致力于進(jìn)行水下熱力室葉輪成形實驗；與此同時，運用增材制造手段解決復(fù)雜天線加工問題，計劃打印水上天線。702所運用增材制造技術(shù)研制出了降噪空心葉輪。703所利用增材制造能打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的特點，成功制備出了燃?xì)廨啓C(jī)靜葉片等零部件。704 所則制作出了帶油冷管道零部件。708 所首次嘗試打印鈦合金葉輪，并對螺旋槳進(jìn)行試制。717所則對各類支架以及框架型零件進(jìn)行輕量化設(shè)計與制造，取得了不錯的效果。金屬增材制造技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計階段的不俗表現(xiàn)，與傳統(tǒng)制造技術(shù)形成了優(yōu)勢互補(bǔ)，能更好地用于創(chuàng)新型設(shè)計制造。

3 金屬增材制造在船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的優(yōu)勢與制約

目前，在造船工藝中，70%以上的結(jié)構(gòu)連接采用焊接工藝。在現(xiàn)代艦艇制造領(lǐng)域，在對船體輕量化和聲隱身性能方面的要求越來越嚴(yán)格，增材制造技術(shù)成形多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)件能實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合。與此同時，國內(nèi)船舶制造業(yè)正處于“大而不強(qiáng)”的階段，我國迫切需要引進(jìn)現(xiàn)代先進(jìn)制造理念。

3.1 艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計生產(chǎn)中的優(yōu)勢

1) 增材制造技術(shù)生產(chǎn)出來的部件組織細(xì)密，非常均勻。對比于傳統(tǒng)加工方式，鍛造常常會出現(xiàn)壓力不均勻的問題，鑄造則會使部件組織中心偏析，晶粒粗大，不均勻。合格的金屬增材制造零部件是非常符合艦船上對零件性能的高要求。

2) 金屬增材制造技術(shù)相比于傳統(tǒng)焊接技術(shù)而言,優(yōu)勢較為明顯，對渦輪發(fā)動機(jī)葉片的修復(fù)，表明了增材制造能使材料性能緊密結(jié)合的。其優(yōu)勢具體表現(xiàn)在：增材制造的熱影響區(qū)比焊接技術(shù)的小，對基體組織內(nèi)部應(yīng)力分布的影響比較小，而它產(chǎn)生的組織也能與基體緊密結(jié)合，性能媲美于一體成型；其次，增材制造出成品的組織性能可以達(dá)到鍛件水平，并且無需后續(xù)熱處理；再者，其制造過程全程由計算機(jī)自動化控制，加工余量少，廢品率低。對于船上的易損零部件，可以很快地進(jìn)行修復(fù)，減少的事故發(fā)生的概率。

3) 制造周期短、成本低、柔性高效[35]。程序化設(shè)計，無需開發(fā)模具，且能夠?qū)崿F(xiàn)無人化生產(chǎn)，能有效縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期多達(dá)4 /5[36]，不僅能夠突破傳統(tǒng)的設(shè)計思維，破除形狀和結(jié)構(gòu)的約束，而且能個性化生產(chǎn)零件，有利于激發(fā)思維，同時也可以對艦船設(shè)備結(jié)構(gòu)或者艦船結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化拓?fù)湓O(shè)計，生產(chǎn)出傳統(tǒng)加工方法難以制造的復(fù)雜產(chǎn)品，使艦船能承載更多的物資，提高自給能力，

4) 節(jié)省材料，較常規(guī)制造方法相比，材料利用率提高5倍以上。傳統(tǒng)的加工方式材料浪費多，材料利用率一般僅為5%～50%，而金屬加工增材制造雖然材料成本高，但金屬粉末利用率高，一次打印完成后，剩余的材料可供下次繼續(xù)使用，減少了原材料的浪費，有效地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境[37]。

5) 可以按比例縮小打印艦船模型，進(jìn)行常規(guī)的力學(xué)和動力實驗。一條船從設(shè)計到生產(chǎn)，需要很長周期，尤其是對于船的可靠性研究，光靠數(shù)值仿真是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而利用金屬增材制造技術(shù)對艦船模型按比例縮小打印，進(jìn)行相應(yīng)實驗的探究，能有效縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，加快產(chǎn)品的研發(fā)速度。

3.2 艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計生產(chǎn)中的制約

1) 制造成本太高，不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢[38]。增材制造的金屬部件每克售價10～100元,價格在黃金和白銀之間，王華明利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的飛機(jī)次承力結(jié)構(gòu)件，幾十公斤,成本120萬。增材制造技術(shù)生產(chǎn)的家用金屬用具成本是傳統(tǒng)生產(chǎn)成本的1 000倍，所以多適合生產(chǎn)難加工的、高性能的、貴的、別的方法做不出來的零件。

2) 材料研發(fā)滯后。金屬在海水環(huán)境中對材料各項性能的要求比較高，目前金屬增材制造的材料仍以貴重金屬為主，價格昂貴，很難滿足艦船生產(chǎn)需求，現(xiàn)階段只能用于艙內(nèi)少部分零件的設(shè)計生產(chǎn)，難以廣泛應(yīng)用。

3) 晶粒尺寸、晶粒形態(tài)和晶體取向難以控制。激光加工過程中，熔池的凝固行為對激光增材制造最終成形件的綜合性能具有至關(guān)重要的影響。凝固速率過慢引起的晶粒粗化將極大地降低材料強(qiáng)度；凝固速率過快易造成制件內(nèi)部微裂紋和孔隙等加工缺陷，導(dǎo)致制件使用過程中提前失效。同時，伴隨凝固行為產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中問題與制件尺寸精度和表面粗糙度有密切聯(lián)系。南京航空航天大學(xué)[39]一直致力于這一領(lǐng)域的研究，并取得了突出的成就，但仍具有很大的發(fā)展空間。

4) 凝固組織、內(nèi)部缺陷質(zhì)量控制，及無損檢驗關(guān)鍵技術(shù)難度大。金屬增材制造雖然發(fā)展了近30年，但國內(nèi)外都鮮像傳統(tǒng)加工方法那樣有一套生產(chǎn)制備檢驗的規(guī)范流程，缺乏相關(guān)體系標(biāo)準(zhǔn)[40]，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的裂紋、殘余應(yīng)力都沒有辦法及時監(jiān)測和有效避免。此外由于冷卻速度太快，內(nèi)應(yīng)力大，容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。裂紋一旦形成，高速擴(kuò)展，晶粒組織難以控制。而艦船行業(yè)往往對零件性能的要求很高，一定程度上制約了金屬增材制造技術(shù)的興起與發(fā)展。

4 結(jié)論

通過上面一系列的陳述，不難發(fā)現(xiàn)，金屬增材制造在船舶制造業(yè)有著十分可觀的前景，不光局限于零件的快速設(shè)計及制造，減小零件攜帶運輸成本；而且對于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計制造，能夠打破傳統(tǒng)的設(shè)計理念，不再依靠于哪里結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，單獨加固來強(qiáng)化船體性能，相信通過一系列拓?fù)鋬?yōu)化手段與增材制造技術(shù)相結(jié)合，最終能取得結(jié)構(gòu)上與經(jīng)濟(jì)上的雙重突破。

金屬增材制造技術(shù)尚由于材料成本高，產(chǎn)品質(zhì)量難以評估等原因只適合小批量小尺寸生產(chǎn)，并未大規(guī)模的運用到艦船結(jié)構(gòu)的設(shè)計生產(chǎn)中，但是伴隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展與提高[41]，相信在不久的將來，對于船用復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、合金構(gòu)件、特種零件的增材制造及修復(fù)技術(shù)將得到突破，并最終向大型化、批量化生產(chǎn)的方向發(fā)展。增材制造技術(shù)必將引領(lǐng)船舶工業(yè)未來的發(fā)展方向，推動船舶工業(yè)體系的變革，立功勛正處于發(fā)展瓶頸期的傳統(tǒng)船舶制造業(yè)。

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