3D打印技術能否顛覆船舶制造

本刊記者 徐華

有消息稱，全球最大的集運公司馬士基7月宣布，計劃采用3D打印技術來制造集裝箱船上的部分船舶備件。馬士基方面表示，集裝箱船在航行期間，若船內配件受損，短期內難以迅速獲得廉價便捷的更換服務，因此3D打印似乎成為了一種完美的解決方案。至此，3D打印應用于船舶配套行業，乃至造船業似乎又近了一步，那么，3D打印機上船是否對造船業具有革命性意義？為此，本刊專訪了江南造船集團總工程師胡可一。

記者：3D打印機上船對造船以及配套業帶來哪些變革和挑戰？是否會改變傳統造船的理念？如何改變？傳統設備制造和提供模式會否遭到顛覆？

胡可一：從船舶建造工藝的發展歷史的來看，鋼制船舶最大的革命性變革就是從鉚接到焊接，其后的工藝進步多是技術的小改進，主要是提升效率、節約成本，但建造工藝技術的本質沒有發生根本性變化。馬士基的大膽設想留給造船與配套行業很大的想象空間，也留下了很多疑問。由于馬士基并沒有說明打印哪種配件，對于集裝箱船來說，和常規船舶一樣其易損件多半是運動部件，如推進主機、發電機、舵機等設備上的運動零部件，但這些部件一般都是由原廠通過全球保修服務網絡提供備件的并按一定的使用年限進行更換。如果在船上進行3D打印的話，必須帶大量的不同類型的原材料，其實用性會會大大折扣。此外，還有大量的操作性的問題需要解決，首先，如果是運動部件或有公差配合的零部件，其質量標準必須要通過原生產廠商和船級社的認可，才可以安裝使用，自已生產的配件可以隨便用嗎？其次，船舶航行中的晃動搖擺，也不利于精密零件的生產，產品質量能保證嗎？第三，打印機是個性化生產，成本高，到下一港口更換豈不更為方便可行和經濟實惠？第四，后續的保修服務如何進行？原生產廠商是否愿意延續？

目前從材料，以及技術原理來看，3D打印機廣泛應用于造船與配套業的可能性并不大，3D打印機的應用空間沒有想象的那么大，還有很大的局限性。

記者：那么，3D打印機要想真正走進船舶制造業，還需要克服哪些技術障礙？有哪些不利因素阻擋其走進造船工業？

胡可一：3D打印技術屬于“增材制造”，是通過原材料的疊加固化形成產品。而傳統的鋼質船舶的造船技術來說是“減材制造”，通過切割實現機械產品的準確性，前者所生產出的產品強度、硬度，以及精準度都要遠遠落后于后者。另外，增材制造與減材制造的最大不同在于兩者之間的精度，減材制造最后切削的精準度可以用“N分之一絲”來計算，而增材制造對于大型生產部件來說，很難控制其準確度，若要精準到“N分之一絲”，還必須經過減材制造這個流程。

當然，3D打印機采用特種材料，通過增材制造，可以生產出一個形狀很仿真的東西，但很難達到其原有的功能。比如說，其可以打印出一把手槍，但打印出來的可能只是一把模型槍，很難實現其真正的功能。槍管和槍機等部件表面的硬度和其耐高溫的性能，都不能通過簡單的打印設備來實現。3D打印機對復雜工藝產品還是“零部件級別”的。

對于造船，3D打印技術有更大的局限性。首先是材料受限。馬士基也表示，由于熱塑性塑料是目前3D打印機可用的唯一材料，這會對所制造的備件造成一定限制。但未來預計市場上將出現更加先進的打印機。二是空間受限，打印機是一個包容性的設備，產品通常要比打印機小，不像傳統造船，是將小板拼成大板，大板拼成立體結構。三是打印機的生產模式類似于鑄造和噴涂，而現代鋼質船體通常是薄殼結構，用鑄造的方法很難達到“空間/自重”比。所以，在攻克這些技術問題之前，3D打印真正走進造船業，還是很難想象的。當然，這是指鋼質船舶甚至拓展一下是金屬質（如鋁合金）船舶，在非金屬材質的船舶（如玻璃鋼）制造方面，3D打印還是大有作為的。

記者：是否可以暢想一下，3D打印機可以在哪些領域有所突破？

胡可一：其實，3D打印的技術原理并不陌生，也在實際生產制造領域有相當的應用。比如，管子內部的噴涂，就是運用了打印機噴涂原理。只不過，我們沒有將它定義為3D打印。在機械制造中，機械手在產品部件內部的切割焊接，也是部分3D打印的概念。具體到船舶建造領域，3D打印機應用于配件生產的可能性也并非不可能。鑄造、鍛造，或拉伸的零件，可采用3D打印制造，這樣可以相對提高鑄件的精密度，如原來鑄造出的零件的冗余度很大，那么，用3D打印制造可以很大程度上提高零件的準確度，節約原材料，然后其配合面再通過車床對其進行加工，但這與原來3D打印機的初衷不同。如果把計算機系統生成數據文件輸入到一個數控生產設備里生產出最終產品看作“3D打印”的話，那么3D打印的范圍就廣了。

鑄造等行業作業環境差，在勞動力日趨高企的情況下，3D打印作為一種改善生產環境的替代方案不失為一種選擇。但由于當前鑄造等生產早已是批量化大規模的生產方式，成本很低，3D打印在經濟性上并沒有優勢，同時，若3D打印機的工作原理與之前的噴墨打印機相同，則3D打印的效率也不會很高。只有將應用于相對個性化的生產，尤其以貴金屬為材料的產品，才能發揮其本身的優勢。比如說，用于首飾、裝飾物的個性化生產。

個性化的標簽可能讓3D打印與大眾化批量的生產暫時告別，但對一些小眾船型來說，卻有用武之地，比如玻璃鋼船、游艇等小型特殊船型。特別是可噴涂材料的解決，如碳纖維、增強塑料等，現在玻璃鋼船的手工生產模式，與打印機工作原理還是比較相似的。

記者：未來還有哪些新技術有可能對傳統的船舶制造業帶來技術革命？

胡可一：現在中國造船工業的發展主要是靠要素的投入，比如產能提升、大船塢和大吊車、廠房加大、生產設備增加來推動。從目前來看，數字化在造船領域的應用，如計算機管理、三維建模應用等方面越來越完善，智能化越來越強。生產過程的模擬技術，也是數字技術的一種應用，通過對生產流程的模擬、物料的模擬等來實現精細化管理。另外，生產設備不斷在更新換代，比如起重能力的提升等。節能減排的一些技術，如風帆技術、空氣潤滑等的應用，也是在不斷推陳出新。

但對于造船業的革命性變革，目前看并沒有產生明顯的跡象。在目前產能過剩的大環境下，提高效率的本意是降低企業的成本，渡過難關，更應從管理上入手而不是僅僅增加要素投入。二十年前，歐洲一些船廠為了遏制造船業的東移，也在提高生產設備自動化方面上做了大量的投入和嘗試，結果都不是很成功，之后卻是因為雇傭了東歐國家的一些廉價勞動力而節省了很多勞動力成本。但這些努力并沒有阻止造船業東移的大趨勢，一些歐洲船廠依靠高技術復雜船型，如豪華客船，在沒有大量增加新要素投入、沒有擴大規模的情況卻生存下來了。