【解析】3D打印技術(shù)在船用柴油機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析

近年來，3D打印技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，已被廣 泛地運(yùn)用于航空航天、汽車零部件、重大裝備、文 化創(chuàng)意、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域 ，根據(jù)美國添加制造技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會Wohlers在2013年發(fā)布的年度 報告，3D打印產(chǎn)品在2013年全球市場規(guī)模約為40億美元，相比2012年市場年均復(fù)合增長率近100%，預(yù)計到2017年3D打印市場份額將達(dá)到50～60億美元左右。但是在船舶行業(yè)的應(yīng)用鮮有 報道，作為一種新興的制作技術(shù)，有必要了解其原 理及其在船用柴油機(jī)中的應(yīng)用前景。

1 3D打印技術(shù)基本原理
1.1 3D打印技術(shù)原理
根據(jù)維基百科對3D打印技術(shù)的解釋 ：“它運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過一層又一層的多層打印技術(shù)，來構(gòu)造零部件。 ”通俗地說，3D打印就是在普通二維打印的基礎(chǔ)上再加一維，之所以還稱之為“打印”，則是因為其借鑒了二維打印的技術(shù)原理，分層加工的形式和噴墨打印的過程相似，只不過打印的材料是“實物”而不是“墨水”。3D打印技術(shù)的原理如圖1所示，首先通過一組平行平面去截零件，得到一系列足夠薄的切片（一般為0.01～0.1mm）或者稱之為二維零件模型，然后按照一定規(guī)則堆積起來即可得到整個零件。

1.23D打印技術(shù)工作流程
根據(jù)3D打印技術(shù)的原理，在進(jìn)行實物打印時 需要以物體三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，輸出利用三角面模擬幾何模型的STL格式幾何文件給專業(yè)分層軟件，利用軟件將三維模型分層離散，根據(jù)實際層面信息進(jìn)行工藝規(guī)劃并生成供打印設(shè)備識別的驅(qū)動代碼，根據(jù)代碼命令利用不同技術(shù)方式的打印設(shè)備，再使用激光束、熱熔噴嘴等方式，將金屬、陶瓷等粉末材料或紙、聚丙烯等固體材料以及液體樹脂、細(xì)胞組織等液態(tài)材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)成型，最后再根據(jù)打印設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行固化、燒結(jié)、拋光等后處理  。其工作流程如圖2中所示。

2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來隨著國際和國家層面對3D打印技術(shù)的關(guān)注和支持，國內(nèi)研究持續(xù)火熱，為整合資源，形成設(shè)備、材料全產(chǎn)業(yè)鏈開發(fā)，將整個產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，高校和地方政府結(jié)合組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的形式逐漸興起 ，已經(jīng)成立的有中國3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、陜 西省3D產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺、浙江省3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等，上海、南京等地也在逐漸醞釀成立3D產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。 3D產(chǎn)業(yè)技術(shù)在20世紀(jì)90年代初由清華大學(xué)顏永年教授引入國內(nèi)，但是由于和CNC加工中心存在競爭關(guān)系，往往只作為CNC的補(bǔ)充，多停留在高校研究和教育培訓(xùn)領(lǐng)域。


而國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品多以自主開發(fā)桌面級產(chǎn)品，同時代理國外工業(yè)級產(chǎn)品的模式為主，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢，自主開發(fā)的產(chǎn)品在成型精度、成型速度以及產(chǎn)品穩(wěn)定性方面和國外產(chǎn)品尚存在一定差距。高附加值的粉末等原材料開發(fā)工藝能力不足，企業(yè) 經(jīng)營模式也較為單一。 近年來隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步和國外市場的推動，國內(nèi)西安交大的盧秉恒院士等團(tuán)隊、湖南華曙等企業(yè)，在解決激光成型中變形開裂，尼龍燒結(jié)材料研制等方面均取得了一定的成果，特別是在航 天領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)技術(shù)水平  。

3 3D打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析
3.1 3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
3D打印技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：
（1）設(shè)計制造快速一體化。由設(shè)計三維模型直 接驅(qū)動制造，通過三維模型識別、分層轉(zhuǎn)換、代碼生成、疊加成型等一系列過程，在一定程度上實現(xiàn)了設(shè)計、制造一體化。這樣就可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)換成真實的產(chǎn)品模型，從而可以對正處于設(shè)計階段的產(chǎn)品做出快速評價、修改及功能試驗。
（2）高效率生產(chǎn)。可以實現(xiàn)無人操控的自動生 產(chǎn)，且無需開發(fā)模具，產(chǎn)品周期可以縮短近4/5；零件的形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計也沒有任何約束，有利于激 發(fā)設(shè)計的思維活躍度，實現(xiàn)個性化和定制化，基于拓?fù)湓O(shè)計優(yōu)化的復(fù)雜模型的直接制造也成為可能。
（3）材料豐富。材料沒有限制，樹脂、塑料、陶瓷、紙質(zhì)、金屬亦或復(fù)合材料都可以使用，甚至 可以根據(jù)零件實際功能要求實現(xiàn)不同部位不同材料。
（4）低研發(fā)成本。與傳統(tǒng)“去材制造”有別，無需初始生產(chǎn)線和模具投入，一次打印完剩余的原材料還可重復(fù)利用，提高了材料和能源的利用效率，大幅度減少了原材料消耗浪費(fèi)以及對環(huán)境地破壞。

3.23D打印技術(shù)的缺點(diǎn)
從中長期看，3D打印技術(shù)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但目前產(chǎn)業(yè)化距離成熟階段尚有較大距離，3D打印技術(shù)還須進(jìn)一步克服以下缺點(diǎn)：
（1）尺寸限制明顯，制造成本高，金屬材料種類偏少；大型零件打印時間太長，與傳統(tǒng)加工方式相比沒有優(yōu)勢；現(xiàn)有3D打印機(jī)造價普遍較為昂貴，金屬3D打印機(jī)的售價一般要400～500萬以上，有的甚至過千萬；材料粉末價格比材料本身高10倍以上，且目前可用的金屬材料種類較少，這都給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來了困難。
（2）精度和效率難平衡，無法滿足高效生產(chǎn)。目前3D打印成品的精度還不盡如人意，表明光滑度與產(chǎn)品要求仍差距明顯，打印效率與鑄造等批量生產(chǎn)方式相比，產(chǎn)能還遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突，制造精度與制造效率的平衡問題還有待解決。
（3）金屬零件工作強(qiáng)度偏低。目前，3D打印技術(shù)的金屬構(gòu)件無法達(dá)到高溫、重載、沖擊等極其嚴(yán)酷的工況的要求，還須配合后續(xù)的致密性處理，如靜壓處理等；經(jīng)過加工后，堆積成型產(chǎn)品的韌性與強(qiáng)度等都有待進(jìn)一步提高。
（4）打印過程可能造成人體危害，產(chǎn)業(yè)環(huán)境急須立法完善。3D打印部分設(shè)備由于原料為粉末，在成品后處理過程中不可避免會產(chǎn)生一定的粉塵，可能會對人體呼吸道和肺部帶來一定的疾病隱患。同時，由于3D打印產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)各階段都存在一定的侵權(quán)風(fēng)險，容易 引起知識產(chǎn)權(quán)糾紛，急須立法保護(hù)。


3.3 3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢
隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術(shù)與裝備將以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，向個性化、精密化、智能化、通用化以及便捷化等方向發(fā)展。

（1）工藝和設(shè)備開發(fā)。提升3D打印技術(shù)的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品制造，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計與制造一體化的需求，可以直接打印出尺寸更大的零件。
（2）材料驗證。開發(fā)多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、相變零膨脹材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，在擴(kuò)展3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍的同時降低打印成本。
（3）軟件升級。軟件集成化，實現(xiàn)設(shè)計加工制造一體化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，減小數(shù)據(jù)處理誤差，實現(xiàn)設(shè)計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造。
（4）拓展應(yīng)用領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用得到進(jìn)一步拓展。


4 3D打印在船用柴油機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用前景
目前，3D打印技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的是消費(fèi)品， 電子、交通設(shè)備和醫(yī)療三大領(lǐng)域，在船用柴油機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報道，這和3D打印的技術(shù)特 點(diǎn)、技術(shù)現(xiàn)狀以及船用柴油機(jī)自身的特點(diǎn)有關(guān)。 船用柴油機(jī)屬于傳統(tǒng)制造業(yè)，零件尺寸往往較大，使用材料沒有特殊要求，而3D打印機(jī)的打印尺寸有限且打印材料成本往往遠(yuǎn)高于材料本身價格，因此船用柴油機(jī)領(lǐng)域還不具備批量的直接進(jìn)行金屬打印的條件。但是根據(jù)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，可以在樣機(jī)研發(fā)過程中作為縮短開發(fā)周期和改進(jìn)設(shè)計的有力手段進(jìn)行多方面嘗試。


4.1快速原型
利用3D打印技術(shù)可以快速地使設(shè)計模型可視化�；�于打印的快速原型可以檢查實體模型的設(shè)計情況，進(jìn)行模型改進(jìn)和優(yōu)化；對于須要檢查裝配情況的模型，可以不考慮材料和強(qiáng)度，在保證精度的情況下利用廉價材料快速造型，進(jìn)行裝配檢查，節(jié)省設(shè)計時間。 除了快速打印原型零件進(jìn)行設(shè)計和裝配檢查外，還可以打印特殊的試驗件，快速響應(yīng)試驗需求。如直接利用樹脂材料打印多方案氣道吹風(fēng)試驗樣件（圖3），可以有效縮短制作“木�！�砂�！�鑄造原型”的時間；由于跳過了前期高額的樣件制造所需的模具費(fèi)用，且可以自由設(shè)計，省卻了多余材料，直接打印成型，可以大幅縮短開發(fā)成本。

4.2快速鑄造
在產(chǎn)品開發(fā)過程中，模具的形狀和加工周期是制約整個產(chǎn)品生命周期的重要因素，也是目前3D打印技術(shù)與實際工業(yè)聯(lián)系最為緊密的應(yīng)用。對于尺寸較大的船用零部件，受限于金屬打印的尺寸限制，直接打印出金屬模具困難較大，但是可以應(yīng)用無�？焖勹T造。 以往船用柴油機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件鑄造工藝都是通過三維CAD模型得到三維砂芯模型，然后建立符合工藝要求的三維砂芯模具模型，制作砂芯模具，通過翻砂制作砂芯，再進(jìn)行澆鑄等。


利用3D打印技術(shù)中的無模鑄造技術(shù)直接制作出符合鑄造要求的零件砂芯，可以簡化傳統(tǒng)鑄造工藝，同時保證不同模具之間帶來的容差型，提高效率、降低成本。 由于船用柴油機(jī)機(jī)體和缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)的設(shè)計制造方法，僅鑄造模具、修改模具等環(huán)節(jié)就需要近半年的時間，而且機(jī)體和缸蓋等內(nèi)部存在多處自由曲面，采用傳統(tǒng)方法制造很難保證曲面精度。而采用無模鑄造技術(shù)，先制作出用于鑄造的砂型，再澆鑄成機(jī)體和缸蓋，不但可以極大地保證模具精度，更為重要的是，大大節(jié)省了時間。與傳統(tǒng)方法相比，采用無模鑄造技術(shù)可以將成品時間縮短2/3。圖4為幾個無模制作實例。

同理，進(jìn)排氣管、增壓器罩殼和油泵罩殼等部件也可以利用同樣的方法進(jìn)行快速鑄造；除此之外，還可以直接打印蠟?zāi)＃�用于增壓器渦輪葉片等部件的熔模精密制造，以避免薄壁熱開裂現(xiàn)象。


4.3快速制造
近幾年來，隨著3D打印技術(shù)材料的豐富和打印精度、打印尺寸的進(jìn)步，利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，越來越多的小批量、定制化和高設(shè)計附加值的產(chǎn)品開始直接進(jìn)行成品打印。 在船用柴油機(jī)領(lǐng)域，同樣受限于金屬材料的打印尺寸，目前尚不能打印大尺寸零件，但是可以對增壓器渦輪葉片、氣門和氣門座圈等尺寸容差率和精度要求高的高溫合金材料零件進(jìn)行直接打印成型；也可以解放設(shè)計束縛，進(jìn)行快速混合制造，即對于零件好加工的部分采用傳統(tǒng)制造方式，難加工的部分直接3D打��；或者對于像ECU插板（圖5）等非金屬件進(jìn)行自由設(shè)計和打印。


另外，利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢突破以往加工 限制，設(shè)計中空零件或者復(fù)合材料零件；對于冷卻水道等受限于制造工藝的部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為設(shè)計帶來新思路。

4.4快速修復(fù)
近年來在航空航天領(lǐng)域，對于容易損壞且造價較高的鈦合金葉片等零件常常利用3D打印中DMD（DirectMetalDeposition金屬送粉沉積）技術(shù)靈活牢固的特點(diǎn)，進(jìn)行直接修復(fù)（圖6），或?qū)δ湍ゲ牧线M(jìn)行金屬涂覆。

對于船用柴油機(jī)來說，曲軸主軸瓦等零部件造價較高且極易磨損，可以利用3D打印技術(shù)對該類零件損壞處進(jìn)行修復(fù)或者添加高溫鎳基合金等材料作為涂層，以提高其耐磨性能和疲勞壽命。

3D打印技術(shù)作為一種“增材制造”技術(shù)，近年來受到了越來越多的關(guān)注，其設(shè)計制造一體化，適合小批量、定制化和個性化制造的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)，推動其在航空航天、汽車、醫(yī)療制造業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。 船用柴油機(jī)作為傳統(tǒng)行業(yè)有其自身的特點(diǎn)，目前3D打印技術(shù)的水平還無法挑戰(zhàn)傳統(tǒng)工藝在船用柴油機(jī)領(lǐng)域中的地位，但是3D打印技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用潛力，可以作為傳統(tǒng)工藝的一種有利補(bǔ)充，應(yīng)用在小批量產(chǎn)品研發(fā)和試驗件制造。隨著3D技術(shù)的進(jìn)步，材料的豐富和打印成本的降低，相信未來其在船用柴油機(jī)中的應(yīng)用會越來越廣泛。

編輯：南極熊
作者：李 佳，張紀(jì)可，馮明志 （七一一研究所）

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