【解析】3D打印技術(shù)如何影響航運(yùn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)

3D打印又稱(chēng)增材制造，是一種快速成形技術(shù)，被“經(jīng)濟(jì)學(xué)家”雜志譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)，現(xiàn)產(chǎn)業(yè)價(jià)值約為40億美 元，并以60％的年增速發(fā)展，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、汽車(chē)、航空和航天工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，主要用于成品和部分精密零部件的制造，預(yù)計(jì)整個(gè)行業(yè)到2020年將實(shí)現(xiàn)210億美元的產(chǎn)值。 3D打印一般由三維設(shè)計(jì)、3D打印和表面處理三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程組成。

三維設(shè)計(jì)是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD）或計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL 文件格式，一個(gè)STL文件使用三角面來(lái)大致模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。如果對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)制，則可以使用PLY等掃描器，對(duì)物品掃描來(lái)生成VRML或者WRL格式的三維文件作為全彩打印的輸入文件。 打印過(guò)程是通過(guò)打印機(jī)讀取STL文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀材料將這些截面逐層地打印出來(lái)，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái)從而制造出一個(gè)實(shí)體。打印機(jī)打出的截面厚度（即Z方向）以及平面方向（即X-Y方向）的分辨率是以dpi（每英寸像素?cái)?shù)）或者以微米來(lái)計(jì)算，一般Z方向厚度為100微米（即0.1毫米），部分高精度打印機(jī)甚至可以打印16微米厚度；而X-Y平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。

打印出來(lái)的“墨水滴”直徑通常為50到100個(gè)微米。用傳統(tǒng)方法需數(shù)小時(shí)到數(shù)天制造出的模型，根據(jù)打印機(jī)性能以及模型尺寸和復(fù)雜程度，用3D打印可縮短為一到幾個(gè)小時(shí)。 表面處理是為了獲得更高分辨率的物品表面，先用當(dāng)前3D打 印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再經(jīng)過(guò)表面打磨從而得到表面更加光滑的“高分辨率”物品。應(yīng)當(dāng)注意目前的3D打印機(jī)分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)完全足夠（在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），從而不必再進(jìn)行表面處理。 傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而3D打印技術(shù)則可以以更快速、更有彈性和更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。一個(gè)桌面尺寸的3D打印機(jī)就可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者或概念開(kāi)發(fā)小組制造模型的需要。3D打印以往常常被用于制造模型和模具，但隨著3D打印機(jī)和“墨水”制造技術(shù)的成熟，3D打印正被用于一些產(chǎn)品的直接制造，特別是高價(jià)值產(chǎn)品（如人體關(guān)節(jié)和重要設(shè)備零部件等）。

目前3D打印技術(shù)在航運(yùn)業(yè)已經(jīng)有了成功的應(yīng)用。例如通用電氣公司使用3D打印技術(shù)制造的燃油噴嘴，不僅在強(qiáng)度上是傳統(tǒng)技術(shù)制造產(chǎn)品的5倍，而且重量減輕了25％；到2020年該公司計(jì)劃將整個(gè)燃油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)30％的零部件通過(guò)3D打印技術(shù)制造。 據(jù)悉馬士基油輪已經(jīng)對(duì)3D技術(shù)在航運(yùn)業(yè)的應(yīng)用前景進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)首先可以用來(lái)解決整個(gè)航運(yùn)業(yè)所面臨的零部件供應(yīng)鏈頑疾，如果船員可以在船上直接打印出他們急需的零部件，將有效縮短交貨時(shí)間，并且將顯著減少備件倉(cāng)儲(chǔ)、貨品包裝、空運(yùn)/陸 運(yùn)、報(bào)關(guān)通關(guān)以及租船靠泊上貨等環(huán)節(jié)的成本，同時(shí)原先在部分基礎(chǔ)設(shè)施較差的區(qū)域無(wú)法提供備品備件的困難也將迎刃而解。其次，3D打印還對(duì)航運(yùn)業(yè)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展大有益處，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的消減制造過(guò)程中每次鉆孔、每次切削都在浪費(fèi)原材料和金錢(qián)，而使用3D增量打印技術(shù)，不僅可以靈活地制造出那些具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品或零部件，而且還可以實(shí)現(xiàn)原材料和金錢(qián)的“零浪費(fèi)”。

與一臺(tái)單價(jià)2.5萬(wàn)美元的塑料材質(zhì)打印機(jī)相比，雖然目前一臺(tái)金屬材質(zhì)3D打印機(jī)的價(jià)格高達(dá)100萬(wàn)美元，但隨其在工業(yè)界的不斷推廣和技術(shù)的進(jìn)步，有理由相信價(jià)格將快速下降到中高端應(yīng)用級(jí)水平（但不要期望其可以替代常規(guī)生產(chǎn)），那么3D打印技術(shù)將會(huì)對(duì)航運(yùn)和相關(guān)制造業(yè)帶來(lái)哪些變化和挑戰(zhàn)呢？

一是金屬“墨水”產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)大發(fā)展，這也是新材料工業(yè)未來(lái)的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。船用設(shè)備零部件不僅形狀上千奇百態(tài)，更重要的是其物理特性，如硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐壓性、高溫塑性等更是變化無(wú)窮。從現(xiàn)實(shí)可能性和經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，我們不可能期望同時(shí)供應(yīng)和在船上或集中供應(yīng)站存儲(chǔ)成千上萬(wàn)種的“金屬墨水”，未來(lái)的思路可能是一種“雞尾酒”技術(shù)，類(lèi)似于利用三原色不同比例調(diào)和可產(chǎn)生各種顏色一樣，科學(xué)家需要找出滿(mǎn)足最基本“原性能”的“墨水”，根據(jù)廠(chǎng)家提供的“秘方”進(jìn)行調(diào)和，然后直接注入3D打印機(jī)進(jìn)行打印制造。

二是重要零部件將從“實(shí)物”供應(yīng)變?yōu)椤皵?shù)字虛擬”供應(yīng)。生產(chǎn)商家和零部件服務(wù)商將從目前的全部實(shí)物供應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐讚p易壞零部件的數(shù)字虛擬供應(yīng)，也就是向需求方發(fā)送一個(gè)包括三維零部件形狀數(shù)據(jù)和材質(zhì)“秘方”的數(shù)據(jù)包，然后直接打印制造和安裝使用。我們預(yù)測(cè)3D可打印的零部件種類(lèi)和數(shù)量將逐漸增加，但受“墨水”材質(zhì)種類(lèi)研發(fā)的供應(yīng)限制，將主要以一些材質(zhì)和性能要求比較單一的零部件為主。

三是知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和分享將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。常規(guī)通用型零部件以外的特種設(shè)備及重要零部件，在實(shí)現(xiàn)3D打印之后，其知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。一種新型的基于付費(fèi)之后的知識(shí)產(chǎn)權(quán)臨時(shí)授權(quán)模式必將營(yíng)運(yùn)而生，也就是任何人都可能得到形狀和材質(zhì)秘方數(shù)據(jù)包，但是如果不付費(fèi)，供應(yīng)商將不會(huì)向3D打印機(jī)發(fā)出具有一定“時(shí)效”的臨時(shí)性授權(quán)指令，該打印機(jī)沒(méi)有授權(quán)或授權(quán)過(guò)期，將不能執(zhí)行打印操作，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和供應(yīng)商利益的保護(hù)。 四是產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄⒈黄绒D(zhuǎn)變和創(chuàng)新�，F(xiàn)有的零部件產(chǎn)品檢驗(yàn)?zāi)Ｊ绞怯蓹z驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品執(zhí)行必要的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，當(dāng)其滿(mǎn)足要求后，由檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)簽發(fā)證書(shū)以證明其質(zhì)量滿(mǎn)足預(yù)定使用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。而3D打印制造出現(xiàn)之后，特別是直接在航行于海中的船舶上打印制造時(shí)，驗(yàn)船師無(wú)法到現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和檢驗(yàn)。

所以檢驗(yàn)控制模式可能要分解為3D打印機(jī)質(zhì)量的認(rèn)證、打印材質(zhì)即“墨水”質(zhì)量的認(rèn)證和產(chǎn)品數(shù)字模型及配方的認(rèn)證。 五是零部件供應(yīng)和服務(wù)模式將迎來(lái)新模式。受區(qū)域和成本的限制，無(wú)法建立全球服務(wù)網(wǎng)絡(luò)一直是設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)商感到頭疼的問(wèn)題，特別對(duì)處于發(fā)展初期的中小型設(shè)備生產(chǎn)商相對(duì)于知名老牌生產(chǎn)商是一個(gè)明顯的競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)將為逐步解決這個(gè)問(wèn)題帶來(lái)曙光。與此同時(shí)現(xiàn)有龐大的分布于全球各港口的設(shè)備供應(yīng)代理商將面臨逐步邊緣化的挑戰(zhàn)，部分依然采用現(xiàn)有商業(yè)模式的代理商將被迫關(guān)張。 因此，3D打印技術(shù)將進(jìn)一步促進(jìn)“分散制造”的優(yōu)化，同時(shí)提高現(xiàn)有分散制造的個(gè)性化定制水平及服務(wù)響應(yīng)速度，進(jìn)而影響船用產(chǎn)品配套及相關(guān)行業(yè)的格局，并促進(jìn)世界航運(yùn)的發(fā)展。


編輯：南極熊
作者：周立偉