盤點：3D打印技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)，一般被應(yīng)用在高精尖的領(lǐng)域當(dāng)中，但對于船舶制造這種黑大粗的領(lǐng)域來說，會有哪些應(yīng)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(shù)沉積材料來制造物體的技術(shù)，3D打印也常用來表示增材制造技術(shù)。增材制造技術(shù)有別于傳統(tǒng)的切削加工方式，是利用三維設(shè)計數(shù)據(jù)在一臺設(shè)備上快速成型的加工方法，解決了許多結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)已成功應(yīng)用于食品、藝術(shù)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(jīng)濟學(xué)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(shù)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(shù)的發(fā)展
增材制造技術(shù)如果從1986年美國科學(xué)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(shù)（3D打�。┑陌l(fā)展速度令人驚嘆。

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

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

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

　�。�1） 船舶備件供應(yīng)領(lǐng)域。對于船舶來說，尤其是遠(yuǎn)洋油輪和遠(yuǎn)海航行或作戰(zhàn)的軍船，設(shè)備故障的修理是很常見的事情，為了應(yīng)付一些突發(fā)情況所需的零部件，要么隨船帶足事先預(yù)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(fēng)險。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到船舶備件的供應(yīng)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(shè)想在實踐中進(jìn)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(yù)見的是一旦將3D打印技術(shù)應(yīng)用成功的話，將會取得莫大的經(jīng)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(jìn)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(jīng)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(guān)等運營成本，更換一個零件的總費用就高達(dá)5 000美元。如果采用3D打印技術(shù)，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(shù)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(chǎn)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(shù)應(yīng)用到零部件的供應(yīng)鏈中，美國海軍人士稱，掌握增材制造技術(shù)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(shù)，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(yuǎn)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(shù)成功打印出美軍醫(yī)療船模型，用于測試船上風(fēng)力氣流的情況，該中心科學(xué)家稱3D打印可以提供更快、更精準(zhǔn)及更低成本的艦船模型。如果將該技術(shù)推廣應(yīng)用，在相同和相似領(lǐng)域必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(shù)制造螺旋槳，他們同時選用了4種材料進(jìn)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(yīng)用3D打印技術(shù)打印了世界上第一臺無人機SULSA，經(jīng)過多次改進(jìn)后，于2015年進(jìn)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(wù)的表現(xiàn)，足以使人們產(chǎn)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(xué)院啟動3D打印無人機項目，該項目將現(xiàn)代通信技術(shù)和裝備技術(shù)完美結(jié)合，為海軍執(zhí)行不同任務(wù)時打印出相應(yīng)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(shè)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(shù)又向前推進(jìn)了一大步。

　　（5）其他方面。增材制造除以上應(yīng)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(yīng)用，增材制造（3D打印）技術(shù)正在船舶領(lǐng)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(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，旨在指導(dǎo)規(guī)范增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用。

　　3. 增材制造技術(shù)在船舶領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)瓶頸
目前，增材制造3D打印技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用相對于整個造船領(lǐng)域來說只是冰山一角，遠(yuǎn)未達(dá)到廣泛應(yīng)用的程度，究其原因增材制造技術(shù)還是一門新興的科學(xué)技術(shù)，還有很多技術(shù)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(chǎn)品也遠(yuǎn)不能滿足使用要求。因此，原材料的種類性能不能有大的進(jìn)展，將直接影響增材制造技術(shù)的推廣使用。

（2）測試與評價技術(shù)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(shù)，為產(chǎn)品的安全使用保駕護航，從而減少生命與經(jīng)濟的損失。增材制造技術(shù)的發(fā)展僅有30年的歷史，科學(xué)家們所關(guān)注的重點大多集中在工藝與產(chǎn)品的研發(fā)上，而對測試與評價技術(shù)卻鮮有報道。由于增材制造技術(shù)是一門相對于傳統(tǒng)技術(shù)完全不同的加工制造方法，所以其測試與評價技術(shù)也必將不同。在世界各國造船系統(tǒng)中都有嚴(yán)格的檢測與驗收標(biāo)準(zhǔn)，增材制造技術(shù)在沒有形成成熟的測試與評價標(biāo)準(zhǔn)之前，是很難讓人接受的。
　　（3）知識結(jié)構(gòu)的需求。增材制造技術(shù)的應(yīng)用對勞動者提出了更高的要求，需要掌握機械設(shè)計、軟件編程、動力學(xué)及電氣工程等各個門類的知識，復(fù)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(xí)慣的改變必將影響人類的生存習(xí)慣，增材制造技術(shù)的發(fā)展將是一個長期的過程。


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

　　5. 結(jié)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(chǎn)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(shù)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(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用有可能對造船業(yè)產(chǎn)生革命性的影響，占領(lǐng)增材制造技術(shù)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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