論3D 打印在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用

孟令崠

（海裝沈陽局駐葫蘆島地區(qū)軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125000）

1 3D 打印簡介

3D 打印技術(shù)（3D Printing）起源于20 世紀(jì)80 年代的快速成形技術(shù)（Rapid Prototyping），也被稱作增材制造（Addit1ve Manufacturing）。該技術(shù)基本原理是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）等軟件形成三維模型，并按照某一坐標(biāo)軸切成多個(gè)剖面，然后，通過與計(jì)算機(jī)相連的硬件設(shè)備，采用熔合焊接、燒結(jié)、黏結(jié)等手段把打印材料逐層構(gòu)建起來，快速、精確地制造出任意形狀的實(shí)體。3D 打印的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋珠寶、服裝、工業(yè)設(shè)計(jì)、土木工程、汽車、航空航天、武器裝備制造醫(yī)療、教育等行業(yè)，被認(rèn)為是推動新一輪工業(yè)革命的重要契機(jī)。2020 年2 月12 日，美國普惠公司公布了3D 打印技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用，采用該技術(shù)生產(chǎn)的零部件將首次應(yīng)用在某型號發(fā)動機(jī)的維護(hù)與維修過程中，展示了該項(xiàng)技術(shù)在航空業(yè)廣闊的發(fā)展前景；日本本田公司此前已利用3D 打印技術(shù)對座椅安全帶支架、車架及發(fā)動機(jī)控制單元等多類汽車零部件進(jìn)行了升級優(yōu)化，該公司研發(fā)部門正與某軟件公司展開合作，雙方共同設(shè)計(jì)一款曲柄軸部件并采用3D 打印技術(shù)制造樣品，如能順利投入應(yīng)用，該方案將實(shí)現(xiàn)相較于現(xiàn)有產(chǎn)品減重30%的目標(biāo)，豐富車身輕量化技術(shù)解決方案。越來越多的成果顯示，3D 打印技術(shù)在工業(yè)，特別是制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將逐漸成為市場上的主流方向之一。

2 3D 打印在船舶制造領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

在船舶制造領(lǐng)域，3D 打印仍然是一種較為新穎的技術(shù)，工業(yè)級的應(yīng)用還不是很廣泛。但近五年來，西方國家的一些船廠逐漸聚焦3D 打印技術(shù)應(yīng)用。2017 年，荷蘭達(dá)門造船集團(tuán)在位于霍林赫姆的船廠總部舉行了一場揭幕儀式（如圖1），世界上首個(gè)被船級社認(rèn)可批準(zhǔn)使用的3D 打印船用螺旋槳WAAMpeller 揭開了神秘的面紗。據(jù)了解，WAAMpeller 由達(dá)門集團(tuán)、螺旋槳制造商Promarin、軟件巨頭Autodesk 和增材制造實(shí)驗(yàn)室RAMLAB 合作研發(fā)，直徑約1.3 米，材料為鎳鋁青銅合金。該螺旋槳已被安裝到一艘拖船上開展了航行測試并取得成功。該項(xiàng)成果向造船業(yè)展示了用于生產(chǎn)船舶部件的3D 打印技術(shù)的潛力。美國和西班牙的船廠也在積極開展3D 打印技術(shù)在艦船及其配套設(shè)備制造過程的應(yīng)用研究。美國紐波特紐斯造船廠與知名的3D 打印設(shè)備供應(yīng)商3D Systems合作，旨在加快推進(jìn)3D 打印技術(shù)在美國海軍艦船上的應(yīng)用。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的制造示范工廠與美海軍破壞性技術(shù)實(shí)驗(yàn)室于2017 年合作研制了首個(gè)軍用打印3D 潛艇外殼，其設(shè)計(jì)靈感來源于美國海軍海豹突擊隊(duì)的特種運(yùn)輸艇。研發(fā)團(tuán)隊(duì)僅用不到一個(gè)月就制作完成了長達(dá)9 米的碳纖維復(fù)合材料外殼，并且生產(chǎn)成本相較傳統(tǒng)運(yùn)輸艇外殼降低了90%，未來還將設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行測試。西班牙納萬蒂亞船廠正在安達(dá)盧西亞地區(qū)打造一個(gè)能使用3D 打印等最前沿技術(shù)的新式造船廠，新船廠于2017 年年底完成了首個(gè)涉及增材制造的研發(fā)項(xiàng)目，一個(gè)模塊化設(shè)計(jì)的3D 打印廁所被成功安裝到一艘船上，同期另外一個(gè)項(xiàng)目：3D 打印通風(fēng)格柵，也被安裝到了實(shí)船上。該船廠已經(jīng)啟動了一個(gè)被稱為“Adibuque”的研發(fā)項(xiàng)目，目的是為加強(qiáng)3D 打印技術(shù)在所有船只制造過程中的使用。相比于西方國家，我國對船舶領(lǐng)域3D 打印的研究處于后發(fā)位置，但近年來，技術(shù)進(jìn)步明顯。據(jù)報(bào)道，國內(nèi)某研究所對多種金屬增材制造材料特性進(jìn)行研究，現(xiàn)已開發(fā)了低合金鋼、鈦合金等增材制造工藝，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維曲面制造；而另一家研究所正利用3D 打印技術(shù)生產(chǎn)鈦合金葉輪，并試制螺旋槳。

圖1 3D 打印船用螺旋槳“WAAMpeller”揭幕儀式

3 3D 打印在船舶制造領(lǐng)域應(yīng)用潛力

若要探討3D 打印到底能為船舶制造行業(yè)帶來怎樣的影響，首先，需要了解該技術(shù)的優(yōu)勢和劣勢，以便更好地做出分析定位。3D 打印的優(yōu)勢在于：其一體化的加工方式可使產(chǎn)品直接成型，可省略部分組裝步驟；3D 打印屬于增材制造，不會產(chǎn)生大量的邊角余料，大幅降低了原材料損耗；加工自由度高，能夠加工出形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜且多樣化的產(chǎn)品；由于無須模具制作以及后期加工，3D 打印使得單件產(chǎn)品生產(chǎn)周期大幅縮短。另一方面，該技術(shù)還存在一定的不足與局限。例如，3D 打印設(shè)備購置成本高，例如，一臺桌面級的小型打印機(jī)售價(jià)就在2 萬元人民幣左右；目前，可支持3D 打印的材料種類還不是很多，僅有石膏、塑料、無極粉料、光敏樹脂、陶瓷及有限的幾種金屬與合金，且部分材料價(jià)格相對于鋼鐵來說更為昂貴；傳統(tǒng)的造船業(yè)加工制造方式（如切削、打磨）可以看成“減材制造”，成品的強(qiáng)度、硬度等性能指標(biāo)往往優(yōu)于3D 打印技術(shù)制造的產(chǎn)品；如果需從事大批量生產(chǎn)，3D 打印的生產(chǎn)效率受材料成本、設(shè)備可靠性等因素的制約而大幅度降低，難以與標(biāo)準(zhǔn)化、流水線式的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式進(jìn)行比較。

從3D 打印自身優(yōu)勢和劣勢對比來看，該項(xiàng)技術(shù)在船舶領(lǐng)域還是有著較好的發(fā)展前景，發(fā)展應(yīng)用的范圍也較大。就近期而言，有以下幾個(gè)較可行的應(yīng)用方案：一是利用3D 打印便捷成型的優(yōu)勢，可以提供更快、更精準(zhǔn)、更低成本的船舶模型，有助于對設(shè)計(jì)進(jìn)行更高效的驗(yàn)證和改進(jìn)，例如，美國曾利用3D 打印機(jī)制造了一款如圖2 所示的醫(yī)院船模型；二是加工船舶使用的某些小型零部件，特別是形狀復(fù)雜、傳統(tǒng)制造需要先保留加工余量再使用車床等設(shè)備加工的部件，可大幅節(jié)省工時(shí)，能夠滿足應(yīng)急情況下的維修需求，迅速替換損壞零部件；三是對于某些船型，如快艇、游艇，可采用3D 打印制造外殼和曲面的船體結(jié)構(gòu)，以滿足外殼線形光順、流暢的要求；四是在軍用艦船制造領(lǐng)域中，受益于充裕的研發(fā)經(jīng)費(fèi)和更加寬松的成本控制要求，3D 打印可釋放其固有優(yōu)勢，制造出常規(guī)材料和生產(chǎn)手段難以加工的零部件和結(jié)構(gòu)。從長遠(yuǎn)來看，如果未來3D 打印硬件設(shè)備發(fā)展成熟后，隨著設(shè)備的加工能力和可靠性增強(qiáng)，采用該技術(shù)生產(chǎn)更大尺寸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與零部件將成為可能；伴隨著材料科學(xué)技術(shù)取得突破，若某些高分子材料性能能夠達(dá)到鋼鐵的水平，那么利用3D 打印打造由復(fù)合材料建造的中大型船舶也不再是夢想。雖然短時(shí)間內(nèi)3D 打印并不會改變傳統(tǒng)的造船業(yè)模式，但隨著數(shù)字化、智能化工業(yè)水平的提高以及3D 打印技術(shù)自身發(fā)展，3D 打印也許將對船舶制造領(lǐng)域帶來一場變革。

圖2 使用3D 打印機(jī)制造的醫(yī)院船模型