論3D 打印在船舶制造領域的應用

孟令崠

（海裝沈陽局駐葫蘆島地區軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125000）

1 3D 打印簡介

3D 打印技術（3D Printing）起源于20 世紀80 年代的快速成形技術（Rapid Prototyping），也被稱作增材制造（Addit1ve Manufacturing）。該技術基本原理是通過計算機輔助設計（CAD）等軟件形成三維模型，并按照某一坐標軸切成多個剖面，然后，通過與計算機相連的硬件設備，采用熔合焊接、燒結、黏結等手段把打印材料逐層構建起來，快速、精確地制造出任意形狀的實體。3D 打印的實際應用領域已經涵蓋珠寶、服裝、工業設計、土木工程、汽車、航空航天、武器裝備制造醫療、教育等行業，被認為是推動新一輪工業革命的重要契機。2020 年2 月12 日，美國普惠公司公布了3D 打印技術在航空發動機領域的工業化應用，采用該技術生產的零部件將首次應用在某型號發動機的維護與維修過程中，展示了該項技術在航空業廣闊的發展前景；日本本田公司此前已利用3D 打印技術對座椅安全帶支架、車架及發動機控制單元等多類汽車零部件進行了升級優化，該公司研發部門正與某軟件公司展開合作，雙方共同設計一款曲柄軸部件并采用3D 打印技術制造樣品，如能順利投入應用，該方案將實現相較于現有產品減重30%的目標，豐富車身輕量化技術解決方案。越來越多的成果顯示，3D 打印技術在工業，特別是制造業領域的應用將逐漸成為市場上的主流方向之一。

2 3D 打印在船舶制造領域應用現狀

在船舶制造領域，3D 打印仍然是一種較為新穎的技術，工業級的應用還不是很廣泛。但近五年來，西方國家的一些船廠逐漸聚焦3D 打印技術應用。2017 年，荷蘭達門造船集團在位于霍林赫姆的船廠總部舉行了一場揭幕儀式（如圖1），世界上首個被船級社認可批準使用的3D 打印船用螺旋槳WAAMpeller 揭開了神秘的面紗。據了解，WAAMpeller 由達門集團、螺旋槳制造商Promarin、軟件巨頭Autodesk 和增材制造實驗室RAMLAB 合作研發，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。該項成果向造船業展示了用于生產船舶部件的3D 打印技術的潛力。美國和西班牙的船廠也在積極開展3D 打印技術在艦船及其配套設備制造過程的應用研究。美國紐波特紐斯造船廠與知名的3D 打印設備供應商3D Systems合作，旨在加快推進3D 打印技術在美國海軍艦船上的應用。美國橡樹嶺國家實驗室的制造示范工廠與美海軍破壞性技術實驗室于2017 年合作研制了首個軍用打印3D 潛艇外殼，其設計靈感來源于美國海軍海豹突擊隊的特種運輸艇。研發團隊僅用不到一個月就制作完成了長達9 米的碳纖維復合材料外殼，并且生產成本相較傳統運輸艇外殼降低了90%，未來還將設計樣機進行測試。西班牙納萬蒂亞船廠正在安達盧西亞地區打造一個能使用3D 打印等最前沿技術的新式造船廠，新船廠于2017 年年底完成了首個涉及增材制造的研發項目，一個模塊化設計的3D 打印廁所被成功安裝到一艘船上，同期另外一個項目：3D 打印通風格柵，也被安裝到了實船上。該船廠已經啟動了一個被稱為“Adibuque”的研發項目，目的是為加強3D 打印技術在所有船只制造過程中的使用。相比于西方國家，我國對船舶領域3D 打印的研究處于后發位置，但近年來，技術進步明顯。據報道，國內某研究所對多種金屬增材制造材料特性進行研究，現已開發了低合金鋼、鈦合金等增材制造工藝，可實現復雜的三維曲面制造；而另一家研究所正利用3D 打印技術生產鈦合金葉輪，并試制螺旋槳。

圖1 3D 打印船用螺旋槳“WAAMpeller”揭幕儀式

3 3D 打印在船舶制造領域應用潛力

若要探討3D 打印到底能為船舶制造行業帶來怎樣的影響，首先，需要了解該技術的優勢和劣勢，以便更好地做出分析定位。3D 打印的優勢在于：其一體化的加工方式可使產品直接成型，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，能夠加工出形狀結構復雜且多樣化的產品；由于無須模具制作以及后期加工，3D 打印使得單件產品生產周期大幅縮短。另一方面，該技術還存在一定的不足與局限。例如，3D 打印設備購置成本高，例如，一臺桌面級的小型打印機售價就在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，且部分材料價格相對于鋼鐵來說更為昂貴；傳統的造船業加工制造方式（如切削、打磨）可以看成“減材制造”，成品的強度、硬度等性能指標往往優于3D 打印技術制造的產品；如果需從事大批量生產，3D 打印的生產效率受材料成本、設備可靠性等因素的制約而大幅度降低，難以與標準化、流水線式的傳統生產模式進行比較。

從3D 打印自身優勢和劣勢對比來看，該項技術在船舶領域還是有著較好的發展前景，發展應用的范圍也較大。就近期而言，有以下幾個較可行的應用方案：一是利用3D 打印便捷成型的優勢，可以提供更快、更精準、更低成本的船舶模型，有助于對設計進行更高效的驗證和改進，例如，美國曾利用3D 打印機制造了一款如圖2 所示的醫院船模型；二是加工船舶使用的某些小型零部件，特別是形狀復雜、傳統制造需要先保留加工余量再使用車床等設備加工的部件，可大幅節省工時，能夠滿足應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構，以滿足外殼線形光順、流暢的要求；四是在軍用艦船制造領域中，受益于充裕的研發經費和更加寬松的成本控制要求，3D 打印可釋放其固有優勢，制造出常規材料和生產手段難以加工的零部件和結構。從長遠來看，如果未來3D 打印硬件設備發展成熟后，隨著設備的加工能力和可靠性增強，采用該技術生產更大尺寸的復雜結構與零部件將成為可能；伴隨著材料科學技術取得突破，若某些高分子材料性能能夠達到鋼鐵的水平，那么利用3D 打印打造由復合材料建造的中大型船舶也不再是夢想。雖然短時間內3D 打印并不會改變傳統的造船業模式，但隨著數字化、智能化工業水平的提高以及3D 打印技術自身發展，3D 打印也許將對船舶制造領域帶來一場變革。

圖2 使用3D 打印機制造的醫院船模型