12款3D打印船，可上天入水

增材制造技術(shù)從20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)以來，經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前已趨于成熟并初步形成體系，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(shù)的重大影響。首先，該技術(shù)將加快船舶工業(yè)新產(chǎn)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(shù)可以更好地驗證和改進(jìn)設(shè)計參數(shù)和思路，提高設(shè)計水平和效率。其次，能使配套產(chǎn)品生產(chǎn)更加經(jīng)濟(jì)快捷。同時，該技術(shù)可給配套產(chǎn)品的維修服務(wù)帶來極大便利。

  

接下來，南極熊盤點(diǎn)一下，目前都有有哪些3D打印整體船舶。

功能齊全的全3D打印船——瑞典RISE制造摩托艇
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瑞典RISE研究院的增材制造研究科學(xué)家Emil Johansson發(fā)布了一個新項目，展示了功能齊全的全3D打印船。這是一連串項目的最新成果，顯示了基于笛卡爾或多軸機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的新型大幅面擠出系統(tǒng)，可以讓3D打印船的工藝在一定程度上可以標(biāo)準(zhǔn)化。

這是第一款使用連續(xù)纖維復(fù)合材料的全功能3D打印船，這是由另一家意大利初創(chuàng)公司moi Composites開發(fā)的。在這種情況下，與Autodesk合作開發(fā)和設(shè)計的船，是使用連續(xù)玻璃纖維復(fù)合熱固性材料的多軸機(jī)器人FDM技術(shù)生產(chǎn)的。

盡管就成本效益和速度而言，連續(xù)纖維擠出工藝可能還差得遠(yuǎn)一些，但事實(shí)表明，短切纖維復(fù)合材料擠出系統(tǒng)在一次3D打印中非常有效，可以打印非常大的結(jié)構(gòu)，例如船體。這是一項巨大的成就，現(xiàn)在看來，未來幾年，船舶制造行業(yè)將會更加廣泛應(yīng)用。

畢竟，直接從CAD中構(gòu)建一次性產(chǎn)品（例如船或小型游艇）的能力，而不必制造僅需使用一次的昂貴且費(fèi)時的模具，就可以帶來非常明顯的好處。另一方面，另一家大型笛卡爾3D打印制造商Thermwood也表明3D打印技術(shù)還可以為游艇制造中的模具制造帶來一些重大好處。

Thermwood從一個51英尺長的游艇船體模具上打印了多個部分，展示單個船體模具如何足以制造更大的船只，例如游艇。測試模具的打印部分由Techmer PM的碳纖維增強(qiáng)ABS制成。在這種情況下，選擇ABS是因為其物理性能和與其他增強(qiáng)熱塑性塑料相比成本較低。

Moi Composites"世界第一艘”玻纖3D打印船將在
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科技創(chuàng)業(yè)公司Moi Composites將在2020年Genoa游艇展上，展示 "世界上第一艘 "采用連續(xù)玻璃纖維熱固材料3D打印的船。這艘3D打印船的尺寸為6.5米×2.5米，采用連續(xù)玻璃纖維熱固性材料打印，3D打印船的制造由Moi Composites牽頭，匯集了來自自動化、復(fù)合材料和航海行業(yè)的專家，包括Autodesk、Catmarine、Confindustria Nautica、Mercury Marine、MICAD、Osculati和Owen's Corning。

這艘3D打印船跨度為6.5米×2.5米，重約800公斤，擁有導(dǎo)航系統(tǒng)和115cv發(fā)動機(jī)。3D打印的船體根據(jù)Sonny Levi著名的Arcidiavolo設(shè)計形成了一個倒三角的形狀。

利用CFM工藝，在位于英國伯明翰的先進(jìn)制造工廠（AMF）使用兩臺KUKA Quantec高精度機(jī)器人進(jìn)行3D打印，機(jī)器人將熱固性的連續(xù)纖維沉積在一起，制造出纖維增強(qiáng)部件，表現(xiàn)出與單向玻璃纖維相似的機(jī)械特性，打印完成后，這些部件被連接在一起，并進(jìn)行層壓，以產(chǎn)生一體式的三明治結(jié)構(gòu)。

設(shè)計和打印過程總共持續(xù)了兩個月，自構(gòu)思以來，3D打印船獲得了摩納哥游艇集群董事會頒發(fā)的游艇特別獎，并獲得了2020年馬克挑戰(zhàn)賽的觀眾選擇獎。

緬因大學(xué)超大3D打印船和聚合物3D打印機(jī)
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這款3D打印機(jī)可以制造出長100英尺、寬22英尺、高10英尺的物體，主要用于支持國防和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新。 據(jù)悉，這套系統(tǒng)由Ingersoll機(jī)床公司開發(fā)，并使用這臺機(jī)器制造出一艘25英尺（7.62米），重達(dá)5000磅的3D打印船，并命名為3Dirigo。

  

橡樹嶺國家實(shí)驗室[ORNL]也參與了這項工作，之前，UMaine和ORNL獲得了美國聯(lián)邦政府2000萬美元的資助，用于創(chuàng)建用于大規(guī)模增材制造的生物基3D材料。在此之前，緬因州技術(shù)學(xué)院（MTI）向高級結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心撥款500,000美元，用于開發(fā)大型3D打印船結(jié)構(gòu)。

他們使用塑料和木質(zhì)纖維素的混合物，在三天內(nèi)生產(chǎn)了3Dirigo，重達(dá)5000磅。新設(shè)計的UMaine 3D打印機(jī)還將支持美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部（CCDC）士兵中心開發(fā)可部署的掩體系統(tǒng)。因此，還制作并展示了3D打印的12英尺長的避難所。



美國海軍與ORNL合作，BAAM 3D打印30英尺長的潛艇船體
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美國橡樹嶺國家實(shí)驗室（ORNL）與美國海軍的顛覆性技術(shù)實(shí)驗室（Disruptive Technology Lab）合作，開發(fā)出美軍的第一個3D打印潛艇船體。這個30英尺長的碳纖維示范船體是用ORNL的大面積增材制造（BAAM）3D打印機(jī)打印的，一共只花了幾天的時間。

  

通過最近與ORNL的合作，現(xiàn)在，他們成功將潛艇的成本降低了90％。新的3D打印船體是一個可選的載人技術(shù)示范船體，受到傳統(tǒng)的SDV的啟發(fā)，但不同于之前的任何潛水器。這個30英尺的結(jié)構(gòu)由一種碳纖維復(fù)合材料制成，主要包含六個部件。令人難以置信的是，從概念到組裝，整個過程花了不到四個星期。

由于采用BAAM技術(shù)，這一時間大幅縮短�，F(xiàn)在，美國海軍能充分利用“按需”生產(chǎn)的優(yōu)勢。雖然目前的這個3D打印示范船體不會接受水測試，但海軍已經(jīng)準(zhǔn)備好建造第二個3D打印船體，并將讓它接受水測試。

  

3D打印船只摘得第26屆水泥輕舟賽桂冠！
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來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 (ETH Zurich）的一個團(tuán)隊?wèi){借其3D打印船只在第26屆水泥輕舟賽（水泥輕舟賽是在高校學(xué)生團(tuán)體之間進(jìn)行的水泥輕舟設(shè)計、制作和競速的綜合賽事。水泥輕舟是用水泥制作的類似皮劃艇的小船。）中獲得設(shè)計創(chuàng)新第一名的殊榮。

這個名為SkelETHon的水泥輕舟是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，數(shù)字建筑技術(shù)（DBT）和建筑材料物理化學(xué)（PCBM）集團(tuán)合作的成果。DBT提供了計算設(shè)計和數(shù)字制作的專業(yè)知識，而PCBM集團(tuán)負(fù)責(zé)開發(fā)用于制造船體結(jié)構(gòu)的水泥混合料和基于施工的工藝。

SkelETHon水泥輕舟重達(dá)114千克，該長四米的船只采用了多種制作技術(shù)制作而成。對于設(shè)計而言，DBT提供了自由模板軟件來制作輕舟錯綜復(fù)雜的設(shè)計和結(jié)構(gòu)。

為了制作這只水泥輕舟，ETH團(tuán)隊首先3D打印出一個亞毫米級的薄塑料模板，然后采用超高性能的纖維增強(qiáng)混泥土材料鑄造。這種鋼筋增強(qiáng)混凝土幾乎是各向同性的均值材料。該船只骨架重約4千克，并且具有高分辨率的表面紋理，其精度達(dá)0.5毫米。

ETH解釋說，這種紋理旨在增加模板和外皮之間的接觸面積。骨架模板本身被設(shè)計為使用拓?fù)浜托螤顑?yōu)化算法來減少輕舟設(shè)計所需的材料并將其重新分布在骨架狀結(jié)構(gòu)中，以便保持輕舟的最大韌性。船的外層涂覆了3mm厚防水混凝土以防止船只浸水。

施工工藝流程使得一個非常復(fù)雜的混凝土輕舟骨架變得可能，而且輕舟骨骼的直徑只有15毫米，這是不可能用任何其他數(shù)字制造技術(shù)制造的。3D打印這種珍貴的制作工藝，為該水泥輕舟的制作成功提供了技術(shù)支持。

Autodesk聯(lián)手Livrea制造全3D打印比賽帆船
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軟件巨頭Autodesk與意大利創(chuàng)業(yè)公司Livrea合作研制一款全3D打印的比賽用帆船。Livrea公司的兩位聯(lián)合創(chuàng)始人Daniele Cevola and Francesco Belivsi擁有豐富的造船經(jīng)驗，但一直采用的是傳統(tǒng)方法。不過后來，由于3D打印概念火爆全球，他們也開始這項技術(shù)了。

最初，二人只是嘗試性地用3D打印制造少量并且尺寸較小的零件。但很快他們就意識到，如果大規(guī)模使用，該技術(shù)能夠為他們帶來更多好處，比如縮短工期（從幾個月到幾天）、降低成本，減少材料浪費(fèi)，以及實(shí)現(xiàn)更棒的設(shè)計，從而讓帆船變得更具競爭力。所以，他們果斷找到了Autodesk尋求合作，因為后者的大規(guī)模自動化3D打印系統(tǒng)正是他們所需要的。

該系統(tǒng)融合了運(yùn)動控制和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動與擠出機(jī)的完美同步，首次實(shí)現(xiàn)了3D打印的“過程實(shí)時監(jiān)控”和“自由形式材料結(jié)合”。而正是在它的幫助下，Livrea的船體曲率和其它動力設(shè)計獲得了前所未有的復(fù)雜度。

3D打印無人船 用于錯峰河道運(yùn)輸物資
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3D打印船隊正在逐個進(jìn)行3D打印中，這些船只可以在“水資源豐富的城市”進(jìn)行操作。在未來，研究人員還設(shè)想，這些無人駕駛的船可以適應(yīng)一夜之間執(zhí)行城市服務(wù)，而不是在繁忙的白天進(jìn)行，進(jìn)一步減少道路和運(yùn)河的擁堵。

無人船提供高水平的操縱性和精確控制。它們可以使用低成本3D打印機(jī)使用耐磨塑料材料制造，從而使批量制造更加可行。船體長4米乘2米的長方形船將配備傳感器，微控制器，位置跟蹤器和其他硬件。它們可以被編程為在幾小時內(nèi)自組裝成浮橋，音樂會舞臺，食品市場平臺和其他結(jié)構(gòu)�？茖W(xué)家們說：“再次，通常在陸地上發(fā)生的一些活動，對城市的移動造成干擾，可以暫時在水上進(jìn)行�！边@些船還可以配備環(huán)境傳感器來監(jiān)測城市的水質(zhì)，并了解城市和人類的健康狀況。

為了制造這些船，研究人員用商用打印機(jī)3D打印了一個矩形船體，生產(chǎn)了16個拼接在一起的獨(dú)立部分。打印花了大約60個小時。然后通過粘合幾層復(fù)合層壓材料將完成的船體密封。集成到船體上的是電源，Wi-Fi天線，GPS以及小型計算機(jī)和微控制器。為了進(jìn)行精確定位，研究人員將室內(nèi)超聲波信標(biāo)系統(tǒng)和GPS模塊（允許進(jìn)行厘米級定位）以及慣性測量單元模塊（其監(jiān)測船的偏航角速度和角速度等參數(shù)）結(jié)合起來。

TAHOE Boats用Thermwood 3D打印工具制造船體
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TAHOE Boats是Bass Pro Shops海洋制造子公司懷特河海洋集團(tuán)(White River Marine Group)的一部分，該公司宣布了一款全新的、革命性的、以家庭為導(dǎo)向的T16船設(shè)計。采用創(chuàng)新的3D打印技術(shù)，T16提供了輕巧的設(shè)計和更優(yōu)惠的價格，并對質(zhì)量和性能作出不妥協(xié)的承諾。

  

懷特河海洋集團(tuán)營銷總監(jiān)莫里斯·鮑恩說：“全新的T16將使全國更多的家庭可以進(jìn)行水上運(yùn)動和釣魚�！薄安捎脛�(chuàng)新的設(shè)計和制造流程，我們正在擴(kuò)大市場，在不犧牲客戶所期望的性能和質(zhì)量的情況下，讓這款新車型更輕、更容易拖拽、更實(shí)惠。”

  

White River Marine集團(tuán)與Thermwood合作，利用Thermwood的大規(guī)模增材制造(LSAM)系統(tǒng)定制打印用于制造船體的工具。這是3D打印技術(shù)第一次在如此大規(guī)模的船舶生產(chǎn)中應(yīng)用。TAHOE Boats說，這種造船技術(shù)的進(jìn)步提高了T16的規(guī)劃、設(shè)計和建造效率。

Thermwood 3D打印船殼的主圖案在印第安納州戴爾的開發(fā)/演示實(shí)驗室。該圖案由20%碳纖維填充的ABS材料打印成六個部分，每個部分之間的連接處經(jīng)過機(jī)加工、固定和粘合在一起。然后將組裝好的船體加工成最終的尺寸和形狀。據(jù)Thermwood說，整個過程在十天內(nèi)完成。模具被送到懷特河，在那里進(jìn)行砂磨，并用專有涂層完成。

  

Thermwoods表示，憑借其新型垂直層打印（該模具制造時尚未提供），可以在更短的時間內(nèi)生產(chǎn)出模具。事實(shí)上，這種類型的圖案現(xiàn)在可以在兩天內(nèi)打印成一個整體，從而消除了各部分之間的加工和粘接過程，這可以將構(gòu)建時間減少一半。

科學(xué)家利用3D打印技術(shù)制造出世界上最小船只
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日前荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)家利用3D打印技術(shù)打印出了世界上最小的船只。據(jù)了解，該微型船只長30微米，比一根頭發(fā)絲的厚度還要少三分之一，比細(xì)菌細(xì)胞大六倍。盡管船只本身小巧，但是經(jīng)過顯微鏡放大后卻被發(fā)現(xiàn)設(shè)計是出人意料地精致，其船身四周遍布著不同的幾何形紋路。

該項目的研究人員Daniela Kraft表示：“3D打印技術(shù)為模仿‘微型游泳者（microswimmers，一種微米級的機(jī)器人）’或為優(yōu)化其在流體中的運(yùn)動打開了一扇創(chuàng)造性的大門。”此前，曾有研究人員讓這些3D打印的“微型游泳者”以人體腎細(xì)胞作為貨物，通過各種挑戰(zhàn)，并且成功地完成了運(yùn)輸任務(wù)。

“在臨床醫(yī)學(xué)中，微型游泳者在不同類型的液體和細(xì)胞環(huán)境中所面臨的挑戰(zhàn)不同。微型3D打印船只在將來或許會對治療診斷和藥物輸送中起到重要作用。”Daniela Kraft說。

比頭發(fā)絲還細(xì)的戰(zhàn)艦，極致到變態(tài)的日本3D打印技術(shù)
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日本的一家精密加工廠，用3D打印技術(shù)制造出了只有頭發(fā)絲直徑的“大和號”戰(zhàn)艦?zāi)Ｐ�，放在手指上就是一個閃光的白點(diǎn)。

這艘戰(zhàn)艦?zāi)Ｐ褪前凑諏?shí)物的52萬分之一仿制的超小模型，所有零部件都是采用新型納米3D打印和超微細(xì)加工而成的。整個戰(zhàn)艦?zāi)Ｐ腿�長0.5毫米，艦上幾門標(biāo)志性的主炮0.003毫米。

更令人驚奇的是，這艘戰(zhàn)艦不是一體打印的！而是由許多3D打印零部件組裝起來的。這么小的零部件在組裝時需要借助電子顯微鏡，一邊看著顯微鏡屏幕，一邊操作旋鈕，靠著機(jī)械臂完成精細(xì)零件的組裝。這個頭發(fā)絲一樣的模型一經(jīng)展出就讓所有人都驚嘆，能夠制造出如此細(xì)小的模型，需要非常高的零部件加工技術(shù)和工匠精神。

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接下來南極熊再介紹兩個3D打印“船”的案例，不過不是普通的船，而且太空飛船。

全金屬3D打印制造！我國新一代載人飛船試驗船返回艙大底框架結(jié)構(gòu)
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長征五號B火箭成功發(fā)射的我國新一代載人飛船試驗船，其返回艙防熱大底框架原來是3D打印出來的——激光沉積金屬3D打印技術(shù)！

其中重要的技術(shù)突破之一，是由航天五院總體部主導(dǎo)的超大尺寸整體鈦框架設(shè)計及成型技術(shù)。超大尺寸整體鈦框架結(jié)構(gòu)全部采用3D打印工藝制造，成功實(shí)現(xiàn)了減輕重量、縮短周期、降低成本等目標(biāo)。新一代載人飛船試驗船的成功返回也標(biāo)志著超大尺寸關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件整體3D打印技術(shù)通過大考。

新一代載人飛船返回過程中，防熱大底部位承受最惡劣氣動力和氣動熱。防熱大底框架結(jié)構(gòu)就是氣動力熱作用下的最主要的承力部件。由于鈦合金框架的尺寸超大，若使用傳統(tǒng)鍛造工藝造價極高。同時由于設(shè)計方案需要不斷調(diào)整和迭代，使得原本就異常緊張的研制周期變得捉襟見肘。以航天五院總體部馬彬為首的設(shè)計團(tuán)隊決定采用“化整為零”的思路，嘗試采用激光沉積3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)“好、快、廉”的設(shè)計目標(biāo)。該技術(shù)既能適應(yīng)設(shè)計方案的快速優(yōu)化與迭代，實(shí)現(xiàn)應(yīng)對載荷分布的輕量化設(shè)計；又能同步開展超大尺寸鈦框架3D打印工藝的研究，縮短研制周期，提高研制成品率，大大降低生產(chǎn)成本。


NASA獵戶座飛船 啟用100個3D打印零件
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“獵戶座”飛船，是NASA的新型宇宙飛船。是由洛克希德·馬丁公司負(fù)責(zé)設(shè)計和建造的飛船。實(shí)際上由兩個飛行器構(gòu)成，它們分別是：載人探測飛船(CEV)和貨物運(yùn)載火箭(CLV)。“獵戶座”飛船內(nèi)部空間比阿波羅飛船大2.5倍，最多可容納6名宇航員。

獵戶座”飛船一直在以指數(shù)級增長速度使用增材制造技術(shù)。根據(jù)洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）和美國國家航空航天局（NASA）最近宣布的信息，目前已完成為Artemis I任務(wù)開發(fā)的“獵戶座”飛船使用了100個3D打印零件。而在執(zhí)行Artemis II任務(wù)的航天器中，洛克希德公司已開發(fā)了近200個3D打印部件。

采用3D打印技術(shù)，可以有效的降低包括“獵戶座”飛船在內(nèi)的開發(fā)成本和進(jìn)度效率，并以此方式實(shí)現(xiàn)洛克希德的技術(shù)進(jìn)步要求，并且3D打印技術(shù)還旨在使得航天器更有效地獲得重用，3D打印更具成本競爭力，并能更快地交付具有更好技術(shù)性能的航天器。

除了降本增效，3D打印還可以實(shí)現(xiàn)很多傳統(tǒng)上難以生產(chǎn)的零件，例如經(jīng)過質(zhì)量優(yōu)化的結(jié)構(gòu)支架和可在整個機(jī)艙內(nèi)引導(dǎo)氣流的管道。洛克希德還3D打印了不同的墊片（在座椅邊緣和宇航員臀部之間的部分），并且根據(jù)使用它的宇航員而設(shè)計出各種尺寸的墊片。

3D打印船的應(yīng)用