增材制造或將引領船舶工業(yè)“新蝶變”

談到增材制造（Additive Manufacturing，AM）很多人都不陌生，伴隨著技術的發(fā)展，特別是金屬3D打印技術近年來取得的進展，增材制造技術的應用已不僅僅局限于快速響應產品的外觀設計，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了金屬功能零件的直接制造。當前，通過金屬增材制造技術制造的金屬材料零部件越來越多的被成功應用于航空航天，國防軍工、醫(yī)療器械、汽車制造、注塑模具以及船舶等領域。

增材制造是相對于減材制造（Subtractive Manufacturing，SM）而言的一項技術。減材制造是在一個基礎坯料上，按照工藝路線，用機床和刀具進行切削，使留下的部分成為所需要的型面，整個過程猶如“減法”；而增材制造是利用數(shù)字化技術，由零件的三維數(shù)據(jù)驅動，通過材料的累加，直接制造出所需零件，整個過程是做“加法”，恰如一個神奇的生長過程，零件從無到有，越長越大，直至成形。

由達門集團、 RAMLAB、 Promarin、Autodesk和法國船級社合作研制的3D打印螺旋槳WAAMpeller

政策導向
2017年，12月14日，國家十二部門聯(lián)合發(fā)布《增材制造產業(yè)發(fā)展行動計劃（2017~2020年）》，將航空、航天、船舶等列為實現(xiàn)增材制造技術規(guī)�；瘧�用的重點領域。業(yè)內專家認為，相對常規(guī)的減材制造來說，增材制造具有自身的優(yōu)勢，也有自身的局限性和需要突破的瓶頸。隨著相關技術的進步和成本的降低，在船舶領域大力發(fā)展增材制造，將對我國船舶工業(yè)的智能制造以及生產效率和水平的提高起到積極的促進作用。

《增材制造產業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020年）》（以下簡稱《行動計劃》），明確提出到2020年實現(xiàn)五大目標：

一是產業(yè)保持高速發(fā)展，年均增速在30%以上，2020年增材制造產業(yè)銷售收入超過200億元；
二是技術水平明顯提高，突破100種以上滿足重點行業(yè)需求的工藝裝備、核心器件及專用材料；
三是行業(yè)應用顯著深化，開展100個以上試點示范項目，在重點制造（航空、航天、船舶、核工業(yè)、汽車、電力裝備、軌道交通裝備、家電、模具、鑄造等）、醫(yī)療、文化、教育等四大領域實現(xiàn)規(guī)模化應用；
四是生態(tài)體系基本完善，形成完整的増材制造產業(yè)鏈，計量、標準、檢測、認證等在內的生態(tài)體系基本形成；
五是全球布局初步實現(xiàn)，培育2～3家以上具有較強國際競爭力的龍頭企業(yè)，打造2～3個國際知名名牌，一批裝備、產品走向國際市場。

增材制造在船舶工業(yè)有多“火”？
增材制造技術從20世紀80年代中期出現(xiàn)以來，經過30多年的發(fā)展，目前已趨于成熟并初步形成體系，并呈現(xiàn)出美國主導、歐洲協(xié)同發(fā)展、日本追隨、中國后發(fā)的基本格局。國際上金屬精密數(shù)字化增材制造設備供應商主要有德國EOS公司、英國Renishaw公司、美國3D Systems公司等，近年來，也出現(xiàn)了中國企業(yè)的身影。我國增材制造設備產業(yè)化產品目前已接近國外產品水平，一改此類設備早期依賴進口的局面。

作為制造業(yè)的組成部分，船舶工業(yè)將不可避免地受到3D打印技術的重大影響。首先，該技術將加快船舶工業(yè)新產品開發(fā)速度，降低開發(fā)成本。由于成型的便利，利用該技術可以更好地驗證和改進設計參數(shù)和思路，提高設計水平和效率。比如，設計一個新的零部件時，設計人員可以同時拿出10種方案，并通過3D打印快速驗證其合理性。即使是較大的船體設計也可以通過縮小比例的方式快速制作模型，這將極大地激發(fā)設計人員的積極性，降低產品研發(fā)成本。

其次，能使配套產品生產更加經濟快捷。由于船舶配套產品批量小，不少屬于定制性產品，3D打印可以隨時調整參數(shù)，更低成本地進行小批量甚至單件產品的生產。同時，該技術可給配套產品的維修服務帶來極大便利。在艦船上，一些零部件需要更換時，只需將其原理圖發(fā)送到最近的3D打印機上，然后將必要的耗材放入3D打印機中即可制造出來。

再次，其能夠生產傳統(tǒng)加工方法難以制造的產品，并且精度和光順度更高。傳統(tǒng)的制造方法是削除法，要通過多維加工將毛坯上不需要的地方切掉，一些復雜的產品及外板等用這種方法加工起來十分困難。利用三維設計和3D打印技術則可在一臺設備上快速而準確地制造出任意復雜形狀的零件，解決了許多過去難以制造的復雜結構零件的成形問題，并且加工精度的提高使產品的性能更好。

全球對增材制造在船舶領域的應用研究也已取得了較大進展，業(yè)內已成功打印出種類繁多的產品和零部件，如螺旋銷、軸瓦、箱式熱交換器、螺旋槳等。在韓國，現(xiàn)代重工宣布在韓國蔚山設立蔚山創(chuàng)造經濟革新中心。在歐洲，羅爾斯·羅伊斯公司已在船用柴油機的燃油噴射系統(tǒng)中應用了增材制造技術。鹿特丹港RAMLAB增材制造中心則希望利用增材制造技術為鹿特丹港的大型船舶提供快速維修服務。

鹿特丹港RAMLAB利用混合增材制造技術生產了世界首個通過船級社認證的船用螺旋槳。

在船舶增材制造方面，中國是后來者，但近年來技術進步迅速。我國船舶工業(yè)體系內已開展了增材制造金屬粉體材料、金屬激光燒結和電子束燒結成型工藝、增材制造設備等方面的研究工作，并取得了一系列成果。

據(jù)了解，中國船舶重工集團有限公司下屬一家研究所對多種金屬增材制造材料特性進行了研究，包括不銹鋼、高/低碳合金鋼、鎳基合金、鈷基合金、鈦合金等。通過多年項目研究和產品開發(fā)，目前，該所已開發(fā)了低碳合金鋼、高碳鋼、鈦合金等增材制造工藝，其中，合金鋼增材制備技術可以獲得強度達到500兆帕、規(guī)格大于300毫米×300毫米×300毫米的部件，增材修復部件體積可達2米×2米×1米，結合強度最高可達800兆帕；研制了直接送粉工藝，可實現(xiàn)復雜三維曲面制造。

中船重工另一家研究所則成功研制了TC4、Ti80等鈦合金粉末，粉末質量、性能達到增材制造要求；開展了空間曲面增材制造工藝、激光燒結工藝、鈦合金電子束熔絲沉積制造工藝研究，開展了鈦合金電子束熔絲沉積工藝初步研究，采用電子束熔絲沉積制造技術制備了典型一維和二維形狀材料。

中國船舶工業(yè)集團有限公司下屬一家研究所正利用增材制造技術生產鈦合金葉輪，并進行螺旋槳的試制。

增材制造對船舶工業(yè)影響幾何？
目前，增材制造技術已應用于產品的開發(fā)、驗證、制造和維修等環(huán)節(jié)，一些企業(yè)通過增材制造技術成功解決了生產過程中的實際問題，并取得了良好的經濟效益。

由于省去了復雜的模具開發(fā)過程，增材制造可以大幅縮短新產品設計驗證周期，加快產品研制進度。增材制造具備‘貼近用戶’（定制化、本地化生產和交付）的潛能，可在一定程度上改變現(xiàn)有的生產、倉儲和物流方式。

當然，作為一項正在發(fā)展中的制造技術，增材制造的成熟度還遠不能同金屬切削、鑄、鍛、焊、粉末冶金等制造技術相比。未來要實現(xiàn)增材制造技術在船舶領域的規(guī)模應用，還需要解決4個問題：
材料特性要適應增材制造的特點，如要保證材料固化后強度的均勻性和形狀的保持性等；
純增材制造的形狀精度保證問題；
規(guī)范和標準制造過程中材料和性能不均勻性的接受程度和檢驗手段問題；
四是智能化的增材制造設備的開發(fā)和研制問題。

后記
增材制造技術改變了傳統(tǒng)的制造方式，為復雜金屬結構功能件的直接制造提供了新思路，對于制造業(yè)而言有著廣闊的應用前景。未來金屬3D打印機將會越來越多的取代部分傳統(tǒng)加工制造設備，但是增材制造技術也有其缺陷與不足，并不能完全取代減材制造，而是并列互補的關系。

來源：焊割在線