盤點：3D打印技術在船舶制造中的應用

3D打印技術，一般被應用在高精尖的領域當中，但對于船舶制造這種黑大粗的領域來說，會有哪些應用呢？

源于美國材料與試驗協(xié)會的定義， 增材制造是依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)將材料連接制作物體的過程，是一種逐層累加的加工過程；3D打印是指采用打印頭、噴嘴或其他打印技術沉積材料來制造物體的技術，3D打印也常用來表示增材制造技術。增材制造技術有別于傳統(tǒng)的切削加工方式，是利用三維設計數(shù)據(jù)在一臺設備上快速成型的加工方法，解決了許多結構復雜的零件成型問題，并有效縮短了加工周期。到目前為止，增材制造技術已成功應用于食品、藝術品、時裝、航空航天、汽車、醫(yī)療、建筑及教育等行業(yè)，被美國《時代》周刊列為“美國十大增長最快的工業(yè)”，英國《經濟學人》則將其推崇為“第三次工業(yè)革命”。由此可見增材制造技術的優(yōu)勢與發(fā)展前景。

英軍艦試飛3D打印無人機

　　3D打印鈦合金零件

　　1. 增材制造技術的發(fā)展
增材制造技術如果從1986年美國科學家開發(fā)的第一臺商業(yè)3D印刷機開始算起的話，到2016年為止整整30年了，在此期間，市場上首個高清晰彩色3D打印機于2005年問世，到2014年，世界上已有3D打印建筑投入使用、3D打印汽車橫穿美國、3D打印火箭發(fā)動機通過測試……，增材制造技術（3D打印）的發(fā)展速度令人驚嘆。

　　在政策方面， 許多國家將增材制造技術列為國家戰(zhàn)略技術發(fā)展的重要方向，例如美國早在2012年就將增材制造技術列為國家制造業(yè)的首要戰(zhàn)略任務，我國也在2015年8月由李克強總理組織召開國務院座談會，專門討論3D打印技術的發(fā)展與振興中國制造業(yè)的關系，將發(fā)展增材制造技術推向了前所未有的高度。

　　科學家們相信，在許許多多科研機構的努力下和相關政策的支持下，增材制造技術將會有廣闊的發(fā)展空間。

　　2. 增材制造技術在船舶制造業(yè)的應用現(xiàn)狀
增材制造是一門新興的科學技術，雖然近幾年來在眾多領域取得了突破性進展，但是在各個行業(yè)還未見商業(yè)化廣泛推廣，離走進尋常百姓家還有很長的路要走，在船舶領域也不例外，近期也有學者撰文說增材制造技術短期內在船舶制造業(yè)中很難廣泛應用。盡管如此，增材制造的技術優(yōu)勢和經濟性還是吸引了國內外不少公司和科學家都在嘗試將該技術應用到船舶領域，并也取得了初步成果。

　�。�1） 船舶備件供應領域。對于船舶來說，尤其是遠洋油輪和遠海航行或作戰(zhàn)的軍船，設備故障的修理是很常見的事情，為了應付一些突發(fā)情況所需的零部件，要么隨船帶足事先預想的各種可能需要的零件；要么想辦法靠岸修理，這兩種選擇無論哪種都會帶來較高的修理成本和風險。將3D打印技術應用到船舶備件的供應鏈中，不失為一種很好的解決方法。

　　在民船方面， 馬士基油輪公司率先將這一設想在實踐中進行嘗試，雖然到現(xiàn)在為止未見成功案例的報道，但是可以預見的是一旦將3D打印技術應用成功的話，將會取得莫大的經濟效益和社會效益。據(jù)馬士基公司稱，__由于油船是被禁止進入港口主要區(qū)域的， 所以傳統(tǒng)的修船方法是首先確定油輪上所需更換的零部件，然后通知公司將零件運往船舶經過的下一個港口，最后租一艘小艇將零件送到船上，還得加上倉儲、包裝及清關等運營成本，更換一個零件的總費用就高達5 000美元。如果采用3D打印技術，只需在船上配備一臺打印機和一些打印材料，用時將零件打印出來就可以了。采用3D打印技術不但可以縮短零件的交付周期、節(jié)約成本，還可以減少因能源的消耗而產生的環(huán)保問題。

　　除此之外，早在2014年美國海軍就提出了“打印艦艇”的概念 ，將增材制造及3D打印技術應用到零部件的供應鏈中，美國海軍人士稱，掌握增材制造技術將是海軍的優(yōu)勢之一，如果能在船的航行狀態(tài)下使用3D打印技術，將是一件里程碑式的事件，必將大量減少備品備件的攜帶量，增加武器、燃料及補給的攜帶量，從而顯著提高海軍的遠洋作戰(zhàn)能力。

　�。�2）3D打印船模。美國卡德洛克海軍水面作戰(zhàn)中心采用3D打印技術成功打印出美軍醫(yī)療船模型，用于測試船上風力氣流的情況，該中心科學家稱3D打印可以提供更快、更精準及更低成本的艦船模型。如果將該技術推廣應用，在相同和相似領域必將產生深遠的影響。

　�。�3）3D打印螺旋槳。2016年初，國外兩位發(fā)燒友嘗試采用3D打印技術制造螺旋槳，他們同時選用了4種材料進行對比，取得了豐富的試驗數(shù)據(jù)。

　�。�4） 3D打印無人機。英國早在五年前就應用3D打印技術打印了世界上第一臺無人機SULSA，經過多次改進后，于2015年進行海上試飛試驗，盡管它只能飛行40min，但其低廉的成本和完成任務的表現(xiàn)，足以使人們產生濃厚的興趣和繼續(xù)研究的決心。2016年SULSA正式服役，為英國皇家海軍破冰船的南極之旅偵查路線。

　　美國海軍研究學院啟動3D打印無人機項目，該項目將現(xiàn)代通信技術和裝備技術完美結合，為海軍執(zhí)行不同任務時打印出相應的無人機，2015年12月打印出一架反恐無人機，可搭載反恐所需的通信設備。與英國不同的是，美國的3D打印無人機是在船上完成的，將3D打印技術又向前推進了一大步。

　�。�5）其他方面。增材制造除以上應用外，還在發(fā)動機鑄造模具、渦輪增壓部件及小艇模型等得到應用，增材制造（3D打�。┘夹g正在船舶領域的各個方面大顯身手。2016年1月7日，勞氏船級社頒布3D打印全球認證標準，旨在指導規(guī)范增材制造技術的推廣應用。

　　3. 增材制造技術在船舶領域廣泛應用的技術瓶頸
目前，增材制造3D打印技術在船舶行業(yè)的應用相對于整個造船領域來說只是冰山一角，遠未達到廣泛應用的程度，究其原因增材制造技術還是一門新興的科學技術，還有很多技術瓶頸未能突破，比如以下幾個方面：

　　（1）增材制造材料的相對匱乏。傳統(tǒng)造船業(yè)所使用的材料主要為金屬材料，金屬材料的發(fā)展已有幾千年的歷史了，在這漫長的歷史長河中金屬材料的種類多種多樣，性能各異，制造工藝也日益成熟，可以滿足船舶制造的不同需求。而增材制造所使用的材料相比之下少之又少，制造的產品也遠不能滿足使用要求。因此，原材料的種類性能不能有大的進展，將直接影響增材制造技術的推廣使用。

（2）測試與評價技術的相對滯后。傳統(tǒng)工業(yè)在發(fā)展過程中，形成了一整套成熟的測試、評判、失效分析、安全評價和壽命評估技術，為產品的安全使用保駕護航，從而減少生命與經濟的損失。增材制造技術的發(fā)展僅有30年的歷史，科學家們所關注的重點大多集中在工藝與產品的研發(fā)上，而對測試與評價技術卻鮮有報道。由于增材制造技術是一門相對于傳統(tǒng)技術完全不同的加工制造方法，所以其測試與評價技術也必將不同。在世界各國造船系統(tǒng)中都有嚴格的檢測與驗收標準，增材制造技術在沒有形成成熟的測試與評價標準之前，是很難讓人接受的。
　　（3）知識結構的需求。增材制造技術的應用對勞動者提出了更高的要求，需要掌握機械設計、軟件編程、動力學及電氣工程等各個門類的知識，復合型人才的培養(yǎng)必將影響教育系統(tǒng)的改革，是一個漫長的過程。
　　
（4）其他方面。勞動對象和勞動習慣的改變必將影響人類的生存習慣，增材制造技術的發(fā)展將是一個長期的過程。


　　4. 增材制造技術應用展望
增材制造技術雖然是剛剛發(fā)展起來的一門新技術，但其發(fā)展日新月異，科技工作者們一致認為增材制造技術必將廣泛應用于船舶制造業(yè)，對造船業(yè)產生深遠的影響。

　　5. 結語
我國是一個造船大國，但并不是造船強國，目前的船舶制造業(yè)是一個勞動密集型產業(yè)，較適合我國人口紅利時期的發(fā)展。隨著世界現(xiàn)代科技與軍事技術的發(fā)展，我國必將完成由造船大國向造船強國的蛻變。增材制造技術在船舶領域的應用有可能對造船業(yè)產生革命性的影響，占領增材制造技術的制高點，必將推動我國造船業(yè)的快速發(fā)展，成為世界造船強國。

作者：中國船舶重工集團公司第七二五研究所    李雪峰    夏申琳    楊    曉
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