增材制造：引領船舶工業(yè)“新蝶變”？

12月14日，國家十二部門聯(lián)合發(fā)布《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017~2020年）》，將航空、航天、船舶等列為實現(xiàn)增材制造技術規(guī)模化應用的重點領域。業(yè)內(nèi)專家認為，相對常規(guī)的減材制造來說，增材制造具有自身的優(yōu)勢，也有自身的局限性和需要突破的瓶頸。隨著相關技術的進步和成本的降低，在船舶領域大力發(fā)展增材制造，將對我國船舶工業(yè)的智能制造以及生產(chǎn)效率和水平的提高起到積極的促進作用。

增材制造：“萬能”制造還是“補充”制造？
增材制造（Additive Manufacturing，AM）是相對于減材制造（Subtractive Manufacturing，SM）而言的一項技術。減材制造是在一個基礎坯料上，按照工藝路線，用機床和刀具進行切削，使留下的部分成為所需要的型面，整個過程猶如“減法”；而增材制造是利用數(shù)字化技術，由零件的三維數(shù)據(jù)驅動，通過材料的累加，直接制造出所需零件，整個過程是做“加法”，恰如一個神奇的生長過程，零件從無到有，越長越大，直至成形。

江南造船（集團）有限責任公司總工程師胡可一表示，增材制造是制造手段上的創(chuàng)新，屬于“過程創(chuàng)新”的范疇，是制造復雜造型零件比較好的手段，可明顯提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。

據(jù)了解，增材制造不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序，可快速制造出任意復雜形狀的零件，是解決復雜結構零件成形的有效途徑，而且產(chǎn)品結構越復雜，材料越難加工，其優(yōu)勢越明顯。在傳統(tǒng)制造行業(yè)中，通過采用增材制造技術生產(chǎn)單件、小批量的超規(guī)格產(chǎn)品，能夠有效降低制造難度和成本。例如，飛機零件主要是整體毛坯件和整體薄壁結構件，利用傳統(tǒng)方法成形非常困難，而增材制造技術可以解決這一問題，而且能減輕機體重量，降低制造成本。我國自主研制的C919 飛機大型鈦合金零件的制造就利用了增材制造技術。業(yè)內(nèi)專家認為，增材制造技術在航空航天行業(yè)中的應用方式也完全可以被船舶海工行業(yè)借鑒，其優(yōu)勢也顯而易見。因為船舶海工裝備中有不少稀有金屬和貴金屬材料的零部件，增材制造技術能極大節(jié)省材料的使用；金屬增材制造技術能將數(shù)據(jù)模型整體打印成形，避免焊接，而在海洋高壓容器和深水密封件中，減少焊縫具有十分重要的意義；對于高硬度零件、薄壁類零件的加工等具有獨特優(yōu)勢。胡可一則認為，如果從零件級的角度來看，增材制造應用是一個共性的應用，船用設備中的許多零件都可采用增材制造手段。

此次發(fā)布的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017~2020年）》明確提出，將大力推進增材制造在船舶與配套設備領域的產(chǎn)品研發(fā)、結構優(yōu)化、工藝研制、在線修復等的應用研究，實現(xiàn)船舶及復雜零件的快速設計與優(yōu)化，推進動力系統(tǒng)、甲板與艙室機械等關鍵零部件及備品備件的直接制造。業(yè)內(nèi)專家表示，增材制造在船舶領域的應用將隨著技術的進步與突破逐步增多，而這或將成為我國船舶智能化制造水平大提升的一個重要契機。

增材制造：在船舶工業(yè)有多“火”？

增材制造技術從20世紀80年代中期出現(xiàn)以來，經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前已趨于成熟并初步形成體系，并呈現(xiàn)出美國主導、歐洲協(xié)同發(fā)展、日本追隨、中國后發(fā)的基本格局。國際上金屬精密數(shù)字化增材制造設備供應商主要有德國EOS公司、英國Renishaw公司、美國3D Systems公司等，近年來，也出現(xiàn)了中國企業(yè)的身影。我國增材制造設備產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品目前已接近國外產(chǎn)品水平，一改此類設備早期依賴進口的局面。

與此同時，全球對增材制造在船舶領域的應用研究也已取得了較大進展，業(yè)內(nèi)已成功打印出種類繁多的產(chǎn)品和零部件，如螺旋銷、軸瓦、箱式熱交換器、螺旋槳等。在韓國，現(xiàn)代重工宣布在韓國蔚山設立蔚山創(chuàng)造經(jīng)濟革新中心。該中心的一項重要任務，就是研發(fā)增材制造技術，孵化增材制造相關的初創(chuàng)企業(yè)�，F(xiàn)代重工希望通過增材制造技術打印船舶構件，在生產(chǎn)過程中節(jié)省時間和金錢，推動行業(yè)進步。在歐洲，羅爾斯·羅伊斯公司已在船用柴油機的燃油噴射系統(tǒng)中應用了增材制造技術。該公司全球研究與技術總監(jiān)保羅·斯坦恩表示，增材制造技術在船舶領域的應用前景廣闊，對于一些制造工藝非常復雜且難以用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的幾何部件來說，增材制造可能是最好的生產(chǎn)方式。而鹿特丹港RAMLAB增材制造中心則希望利用增材制造技術為鹿特丹港的大型船舶提供快速維修服務。該中心曾利用混合增材制造技術生產(chǎn)了世界首個通過船級社認證的船用螺旋槳。

在船舶增材制造方面，中國是后來者，但近年來技術進步迅速。中船重工經(jīng)濟研究中心高級分析師曹林介紹說，我國船舶工業(yè)體系內(nèi)已開展了增材制造金屬粉體材料、金屬激光燒結和電子束燒結成型工藝、增材制造設備等方面的研究工作，并取得了一系列成果。

據(jù)了解，中國船舶重工集團有限公司下屬一家研究所對多種金屬增材制造材料特性進行了研究，包括不銹鋼、高/低碳合金鋼、鎳基合金、鈷基合金、鈦合金等。通過多年項目研究和產(chǎn)品開發(fā)，目前，該所已開發(fā)了低碳合金鋼、高碳鋼、鈦合金等增材制造工藝，其中，合金鋼增材制備技術可以獲得強度達到500兆帕、規(guī)格大于300毫米×300毫米×300毫米的部件，增材修復部件體積可達2米×2米×1米，結合強度最高可達800兆帕；研制了直接送粉工藝，可實現(xiàn)復雜三維曲面制造。中船重工另一家研究所則成功研制了TC4、Ti80等鈦合金粉末，粉末質量、性能達到增材制造要求；開展了空間曲面增材制造工藝、激光燒結工藝、鈦合金電子束熔絲沉積制造工藝研究，開展了鈦合金電子束熔絲沉積工藝初步研究，采用電子束熔絲沉積制造技術制備了典型一維和二維形狀材料。中國船舶工業(yè)集團有限公司下屬一家研究所正利用增材制造技術生產(chǎn)鈦合金葉輪，并進行螺旋槳的試制。江蘇科技大學海洋裝備研究院則通過增材制造技術制造了船用液化天然氣（LNG）汽化器，該LNG汽化器能夠完全滿足超高壓、超低溫的運行條件，且制造成本和周期大幅減少。

曹林介紹說，在我國最新開展的船用低速機工程研制項目中，也包含了柴油機核心部件增材制造研究的內(nèi)容。

增材制造：對船舶工業(yè)影響幾何？
目前，增材制造技術已應用于產(chǎn)品的開發(fā)、驗證、制造和維修等環(huán)節(jié)，一些企業(yè)通過增材制造技術成功解決了生產(chǎn)過程中的實際問題，并取得了良好的經(jīng)濟效益。曹林介紹說，在我國，有單位自1997年建立激光加工中心以來，已多次為船用壓縮機缸體、船用齒輪、主機缸套進行了激光強化；有單位通過采用激光熔覆技術，成功解決了發(fā)動機活塞耐燒蝕和缸套耐磨性不足的問題；有單位在自主研制系列船用柴油機的過程中，將增材制造技術用于鑄件新產(chǎn)品開發(fā)及輔助傳統(tǒng)模具設計制造；有單位與高校合作，開展了船用燃氣輪機機匣類零件增材制造；有單位較早采用增材制造技術進行精密無余量澆鑄蠟模制造，制造了直徑約為80毫米的渦輪增壓器用離心壓氣機葉輪等。

“一般情況下，由于省去了復雜的模具開發(fā)過程，增材制造可以大幅縮短新產(chǎn)品設計驗證周期，加快產(chǎn)品研制進度�！辈芰直硎�，“增材制造具備‘貼近用戶’（定制化、本地化生產(chǎn)和交付）的潛能，可在一定程度上改變現(xiàn)有的生產(chǎn)、倉儲和物流方式，相信隨著技術進步，增材制造技術的應用有望進一步簡化供應鏈環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品售后服務的響應速度�！�

當然，作為一項正在發(fā)展中的制造技術，增材制造的成熟度還遠不能同金屬切削、鑄、鍛、焊、粉末冶金等制造技術相比。胡可一認為，要實現(xiàn)增材制造技術在船舶領域的規(guī)模應用，未來在共性應用方面需要解決4個問題：一是材料特性要適應增材制造的特點，如要保證材料固化后強度的均勻性和形狀的保持性等；二是純增材制造的形狀精度保證問題；三是規(guī)范和標準制造過程中材料和性能不均勻性的接受程度和檢驗手段問題；四是智能化的增材制造設備的開發(fā)和研制問題，未來應研制專用型還是泛用型設備？“在船舶增材制造的個性應用方面還需要解決以下幾個問題：一是船體結構形式問題，船舶存在不少薄殼框架結構，有很多封閉空間，增材制造如何實現(xiàn)？二是船體結構材料問題，目前來看，鋼板材料并不適合，而復合材料存在成本和強度方面的短板。三是增材制造設備的尺度問題，如果增材制造一個超大零件，那制造設備豈不會像一臺龍門吊那么大？！四是船舶規(guī)范問題，船舶工業(yè)應用增材制造技術，必須遵守一定的測試和評價規(guī)范，船廠要進行很多驗證試驗和計算，還要被船東接受，會產(chǎn)生時間、資金方面的成本和風險�！焙�可一說。

目前，增材制造更多還是作為傳統(tǒng)制造方式的補充，主要應用于“加工難、成本高、批量小”的產(chǎn)品或部件。曹林認為，增材制造技術未來能否規(guī)�；瘧�用主要取決于兩個方面，一方面，是增材制造技術本身的發(fā)展，即能否按要求制造出合格的產(chǎn)品，目前，若要完全滿足船舶工業(yè)需求，增材制造需要逐步突破從材料、工藝、軟件、核心器件到裝備的諸多關鍵技術；另一方面，增材制造與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式在成本方面的比較，這一成本不僅包括生產(chǎn)設備和物料的一次性投入，還包括覆蓋研發(fā)、生產(chǎn)、維修保障等多要素的綜合比較。

業(yè)內(nèi)專家表示，隨著技術的進步以及國家鼓勵政策的相繼推出，增材制造技術在船舶領域規(guī)模化應用的條件將日益成熟，增材制造技術相關的產(chǎn)業(yè)鏈也將日益完善，并最終推動我國船舶工業(yè)實現(xiàn)快速發(fā)展。

來源：中國船舶新聞網(wǎng)