船舶與海洋工程領(lǐng)域的3D打印技術(shù)現(xiàn)狀

肖志文 楊建明 石國(guó)杰 陳勁松 孟 偉

（江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，連云港 222005）

3D打印又被稱為增材制造技術(shù)，融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料加工與成型技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域，被英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志譽(yù)為第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)。3D打印按照建立3D模型、軟件切片處理、逐層打印累積材料的順序制造產(chǎn)品，根據(jù)成型方式的不同，3D打印技術(shù)主要包括光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、3DP法、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化（EBM）等。同時(shí)，不同的成型方式也對(duì)應(yīng)其專有的打印材料，如樹脂、塑料、石膏粉末、陶瓷、不銹鋼、鋁、金屬合金和生物材料等。與傳統(tǒng)的對(duì)原材料做“減法”的加工模式不同，3D打印是一種自下而上對(duì)材料做“加法”的制造方法，其材料利用率高、經(jīng)濟(jì)效益好、產(chǎn)品自由度高，復(fù)雜的異型結(jié)構(gòu)、內(nèi)部流道等難以加工的結(jié)構(gòu)也能輕易實(shí)現(xiàn)。

自第一臺(tái)3D打印機(jī)問(wèn)世至今，3D打印已經(jīng)快速發(fā)展了30多年，近年來(lái)在航空航天、汽車、醫(yī)療、服飾、教育和土木工程等眾多領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展[1-3]，但未商業(yè)化廣泛推廣，在船舶與海洋工程領(lǐng)域也不例外。目前，國(guó)家號(hào)召建設(shè)21世紀(jì)海洋強(qiáng)國(guó)，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展成為我國(guó)海洋事業(yè)的一個(gè)契機(jī)，其在船舶與海洋工程領(lǐng)域的研究與應(yīng)用重要性不言而喻。3D打印的優(yōu)良特性吸引了國(guó)內(nèi)外不少公司和科學(xué)家嘗試將該技術(shù)應(yīng)用到船舶與海洋工程建設(shè)中，本文探討了3D打印技術(shù)在船舶與海洋工程領(lǐng)域的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，主要包括3D打印涉海物件以及將海洋資源作為3D打印材料兩個(gè)方面。

1 3D打印制備涉海物件

1.1 制備用于海洋環(huán)境的材料

高濕度、高鹽度的海洋環(huán)境對(duì)涉海設(shè)備的材料提出了新的要求，海洋級(jí)別的不銹鋼材料要具有優(yōu)良的抗腐蝕性和延展性，在彎曲的狀態(tài)下不會(huì)被折斷。2017年，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）與佐治亞理工大學(xué)、美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)和艾姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，成功3D打印了“海洋級(jí)”316L不銹鋼[4]。為了克服激光熔融造成孔隙率較高的難點(diǎn)，他們采用了一種密度優(yōu)化工藝，通過(guò)計(jì)算機(jī)建模改善了不銹鋼的底層微觀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一種分層的類細(xì)胞結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整這些結(jié)構(gòu)而控制打印件的物理特性。該材料含碳量低、耐腐蝕，在某些條件下，比用傳統(tǒng)工藝制成的材料強(qiáng)度高且延展性更好，廣泛用于制造石油管道、發(fā)動(dòng)機(jī)零件等。

2016年，海底勘探和油氣生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商Magma Global與Victrex材料公司合作，利用激光燒結(jié)3D打印技術(shù)制備出了深海撓性M-Pipe管道。這種管道使用了被稱為特種工程塑料聚醚醚酮（PEEK）的熱塑性復(fù)合材料，3D打印制備的管道具有優(yōu)于鋼管的浮力和耐腐蝕性，能承受高壓力和高流速，可部署到10000英尺的深海，減少海底石油和天然氣系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。并且利用3D打印能實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印至4000m的長(zhǎng)度，減少了海底管道拼接接頭數(shù)量，大大提升了安全性能。

1.2 制備海洋船舶及船用物件

在修理海洋船舶設(shè)備故障時(shí)，傳統(tǒng)的方法是隨船帶足可能需要的各種零部件，或者想辦法靠岸修理，這兩種選擇都會(huì)帶來(lái)較高的修理成本和風(fēng)險(xiǎn)，而應(yīng)用3D打印技術(shù)則可以很好地解決這一問(wèn)題。將3D打印應(yīng)用于海洋船舶，其應(yīng)用形式主要有兩種：一是在岸3D打印，如新加坡的威爾森船舶服務(wù)公司配置了3D打印設(shè)備，按需生產(chǎn)3D打印的零件，為船舶提供配件；二是船載3D打印，即船舶在航行狀態(tài)下使用3D打印技術(shù)，可大量減少備品備件的攜帶量，增加燃料及補(bǔ)給的攜帶量，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益[5]。例如，軍艦上安裝3D打印設(shè)備打印生活用品及常用的替換零部件[6]，可增加燃料和武器彈藥的攜帶量，提升遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)能力，在軍事上具有重要的意義。

3D打印應(yīng)用于海洋船舶，按其應(yīng)用階段可分為船舶設(shè)計(jì)階段和船舶運(yùn)營(yíng)階段。船舶設(shè)計(jì)階段主要是3D打印船舶的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停糜谠O(shè)計(jì)的驗(yàn)證和改進(jìn)[7-8]。船舶運(yùn)營(yíng)階段包括3D打印船舶零部件（螺旋槳、方向舵、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等）[5,9-10]、3D打印船舶上使用的其他物件（生活物件、軍演部件、其他配件）、船舶零件與構(gòu)件的修復(fù)。圖1為美國(guó)Sciaky公司采用EBM工藝3D打印制備的可用于潛艇的鈦壓載艙，可降低生產(chǎn)時(shí)間和成本。

圖1 3D打印的潛艇鈦壓載艙

無(wú)人船的使用改變了過(guò)去“船載人、人工測(cè)”的海洋數(shù)據(jù)測(cè)繪模式，不僅效率高、成本低，而且大大減少了測(cè)繪人員在海上發(fā)生意外事故的可能。無(wú)人船制造商MOST Autonomous Vessels聯(lián)合Ogle Models公司開展了超級(jí)海上無(wú)人船項(xiàng)目，使用激光燒結(jié)技術(shù)3D打印了精度、強(qiáng)度滿足要求的關(guān)鍵部件船頭與船尾，與中間艙體部分拼接為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了快速高效的無(wú)人船制造，為未來(lái)海上無(wú)人船隊(duì)的構(gòu)建提供了技術(shù)支持。

1.3 制備海洋工程裝備

目前，艦載無(wú)人機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，可用于探索最佳航行路徑、監(jiān)控海盜或走私等。英美海軍正在研究3D打印艦載無(wú)人機(jī)[7]，根據(jù)不同的使用目的，設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)模型遠(yuǎn)程發(fā)送至艦艇，在短時(shí)間內(nèi)打印出無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)并裝配上相應(yīng)的電器元件，使艦載無(wú)人機(jī)的制造更加快捷、應(yīng)用更加靈活。為了減輕整機(jī)重量，使用的材料為合成纖維尼龍，使用激光燒結(jié)打印機(jī)制作出主體部分，大大減少了部件數(shù)量和組裝難度。

水下軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜且采用柔軟材料，故難以用傳統(tǒng)加工工藝制成。為了增加軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多樣性以及更好地融合多種材料，3D打印技術(shù)逐漸出現(xiàn)在軟體機(jī)器人領(lǐng)域[11]。2016年，哈佛大學(xué)M.Wehner課題組成功研制出第一款全軟體“章魚機(jī)器人”——Octobot，它采用硅膠材料并通過(guò)3D打印而成[12]。麻省理工3D打印的軟機(jī)器魚SoFi[13]，如圖2所示，頭部是3D打印的，安裝有電子元件，背部和尾部由硅橡膠和柔性塑料制成，能夠潛水，像魚一樣游泳，配備了魚眼鏡頭，用于探測(cè)水下世界、接近海洋生物、捕捉視頻和照片。

圖2 3D打印的軟機(jī)器魚

北京航空航天大學(xué)采用多材料3D打印機(jī)打印出了仿生?魚吸盤樣機(jī)（如圖3）[14-15]，將其安裝到一個(gè)小型水下航行器的頭部，使航行器能夠有效地吸附到各種表面上以節(jié)省游動(dòng)能量，也可以用于探測(cè)水下環(huán)境、檢測(cè)船底等是否有裂紋或異物。

圖3 3D打印的仿生?魚吸盤樣機(jī)

陳超等采用SLM工藝3D打印制備了印刷版式液化天然氣（LNG）汽化器[16]，如圖4所示。該汽化器是一種具有精細(xì)結(jié)構(gòu)流體換熱通道的換熱器，可用于作為L(zhǎng)NG存儲(chǔ)和汽化站的近海浮動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)LNG的再氣化。該產(chǎn)品能滿足超高壓、超低溫的運(yùn)行條件，制造成本和周期大幅減少，打破了國(guó)外的產(chǎn)品壟斷，技術(shù)指標(biāo)高于國(guó)外的其他工藝。

圖4 3D打印的印刷版式LNG汽化器

2 利用海洋資源進(jìn)行3D打印

2.1 利用海洋塑料垃圾

人類傾倒在海洋的塑料垃圾降解時(shí)間長(zhǎng)，浪費(fèi)了資源的同時(shí)給海洋生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了極大的危害。3D打印使得這些白色污染物可以回收使用，將其作為打印材料重新利用，節(jié)約資源的同時(shí)也解決了環(huán)境問(wèn)題。海邊大量廢棄的漁網(wǎng)常常使一些海洋動(dòng)物身陷羅網(wǎng)而無(wú)法生還，是一種致命的海洋垃圾。漁網(wǎng)主要是由尼龍6制成，尼龍6早已用于3D打印，因而漁網(wǎng)也是一種理想的回收材料。

利用海洋塑料垃圾進(jìn)行3D打印主要包括垃圾收集、分類切碎、線材成形和3D打印等過(guò)程，采用這一方法，可以打印制作塑料凳子、碗和花瓶等家用品及藝術(shù)品。運(yùn)動(dòng)服飾巨頭阿迪達(dá)斯于2016年推出了一款新型運(yùn)動(dòng)鞋，此概念鞋由海洋塑料制成的上層和鞋底夾層兩部分組成，如圖7所示具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的鞋底夾層以可回收性聚酯和刺網(wǎng)為材料，通過(guò)3D打印制成，兼顧了經(jīng)濟(jì)效益與海洋生態(tài)[17]。比利時(shí)建筑師Vincent Callebaut創(chuàng)建的海洋城市建設(shè)規(guī)劃，建筑物都由海藻和海洋塑料垃圾制成的復(fù)合材料經(jīng)3D打印而建成[18]。

圖5 3D打印的鞋底夾層

2.2 利用海洋貝類材料

扇貝是一種常見的天然海洋貝類，其貝殼主要成分為碳酸鈣，所含的Ca2+、CO32-為人體自身含有的元素，在人體內(nèi)可被徹底降解吸收，不產(chǎn)生炎癥反應(yīng)和異物刺激作用。樓毅等利用扇貝殼粉體經(jīng)過(guò)3D打印制備了海洋貝殼/鹿瓜多肽復(fù)合材料多孔生物支架，它具有良好的力學(xué)性能、三維空間結(jié)構(gòu)及組織相容性，利于成骨細(xì)胞在支架上的附著，促進(jìn)骨缺損的恢復(fù)[19]。

斑驢貽貝原產(chǎn)于東歐，作為入侵物種給美國(guó)生態(tài)系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施造成了不利的影響。2018年，戴維森學(xué)院的學(xué)生Lorena James將斑驢貽貝的外殼粉碎成粉末，加入聚乳酸顆粒制作成3D打印細(xì)絲，并將這種3D打印材料申請(qǐng)了實(shí)用專利，體現(xiàn)了一種環(huán)保理念[20]。

3 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)是一門發(fā)展迅猛的新興科學(xué)技術(shù)，與諸多領(lǐng)域相結(jié)合形成了特有的“3D+”產(chǎn)業(yè)模式，大力推動(dòng)了其他領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程甚至顛覆了某些領(lǐng)域的原有模式。但無(wú)可否認(rèn)的是3D打印技術(shù)還處于初級(jí)階段，大部分成果還處于理論狀態(tài)，距離實(shí)際大規(guī)模推廣使用還需要很長(zhǎng)的時(shí)間。特別在海洋工程領(lǐng)域，相對(duì)于航空航天、醫(yī)學(xué)等熱門領(lǐng)域應(yīng)用推廣還較少。但是隨著研究的深入，3D打印技術(shù)在制備適用海洋環(huán)境的高性能材料、船舶零部件及“無(wú)人系列”海洋工程裝備等方面展現(xiàn)出特有的優(yōu)勢(shì)，甚至可以利用海洋塑料垃圾、貝殼等材料作為打印材料，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)解決了困擾全球的海洋環(huán)境治理問(wèn)題。相信隨著3D打印可用金屬材料較少、打印成本高、最大打印尺寸受限等問(wèn)題的改善，3D打印將會(huì)對(duì)海洋工程領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生革命性的影響，推動(dòng)我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)事業(yè)不斷向前。