3D打印技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用

對于船舶行業(yè)來說，3D打印可以算得上是一門非常新的技術(shù)，就目前而言，實際應(yīng)用并不多，不過可以確定的是，3D打印技術(shù)作為制造業(yè)的組成部分，該技術(shù)的發(fā)展必然會對船舶行業(yè)帶來重要影響，不僅是在設(shè)計制造階段，還包括運(yùn)營階段，雖然目前還不是很明顯，但相關(guān)各界均已開始對此表示關(guān)注。

3D打印在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用

從上述3D打印的優(yōu)缺點(diǎn)來看，該技術(shù)在船舶領(lǐng)域還是有著較好的發(fā)展前景，可應(yīng)用的范圍也較大。例如，在船舶設(shè)計階段制作用于驗證和改進(jìn)設(shè)計的模型；一些小批量、定制型船舶配套產(chǎn)品的制造；運(yùn)營階段備件的供應(yīng)；艦載無人機(jī)、無人艇，甚至小艇的制造等。下文將列舉一些3D打印技術(shù)在船舶領(lǐng)域的實際應(yīng)用案例以及相關(guān)方對此新技術(shù)的態(tài)度和看法。

馬士基的3D打印備件供應(yīng)鏈

數(shù)年前，馬士基油輪公司就已在追趕潮流，試圖利用3D打印這項新技術(shù)革新其船舶備件供應(yīng)鏈。該公司相關(guān)人士稱，對于船員來說處理設(shè)備故障是一種常見的挑戰(zhàn)，工作重點(diǎn)在于如何將部件盡可能快地從陸上送到船上。按照傳統(tǒng)方法，首先要確定需要什么部件，之后將其運(yùn)往船舶下一個要經(jīng)過的港口，最后租一艘小艇將所需要的部件送到船上。之所以要租用小艇，是因為鑒于油船貨物的危險性，一般是被禁止進(jìn)入港口主要區(qū)域的。
除了這些步驟，事實上，油船還經(jīng)常不能按時到港，這就使部件的運(yùn)送工作變得更復(fù)雜。馬士基油輪公司有三分之二的船是以現(xiàn)貨交易的模式運(yùn)營，因此客戶租船后，并不會每次都明確在哪里卸貨，可能是從委內(nèi)瑞拉到休斯頓之間的任何港口，這種不確定性也為備件的運(yùn)送工作帶來了一些麻煩。從成本上來看，算上倉庫貯存、包裝、空運(yùn)至港口、清關(guān)，以及租用小艇等一系列費(fèi)用，那么僅將1個零件運(yùn)送至船上的成本就高達(dá)5000美元。另外，一系列運(yùn)輸過程還會產(chǎn)生不少廢氣排放，不利于環(huán)保�？偟膩砜�，我們可以把傳統(tǒng)運(yùn)送備件到船上這項工作的劣勢歸納為作業(yè)過程復(fù)雜；會產(chǎn)生不低的費(fèi)用；會對環(huán)境產(chǎn)生不小的影響，以及延長船舶航行時間這四個方面。
通常來講，新興的技術(shù)意味著還有很多未知，不過雖然目前還不知道3D打印技術(shù)在船上能發(fā)揮到什么程度的作用，但即使只能打印一小部分零件，那也會對供應(yīng)鏈成本帶來不小沖擊。若在船上使用3D打印，則將免去包裝、運(yùn)輸?shù)纫幌盗匈M(fèi)用，而且還更環(huán)保。
于是，馬士基決定在旗下的1艘油船上安裝3D打印機(jī)以便船員“打印”出所需要的零件。不過令人遺憾的是，這次嘗試被默默地擱置在一邊，馬士基油輪公司也沒有更新進(jìn)展報道。有報道猜測稱該公司可能更愿意先在岸上使用3D打印機(jī)而不是在船上，這樣至少能縮短備件的交付時間，當(dāng)然，前提是這些備件可以被打印出來。

在發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域的應(yīng)用

由于目前3D打印已能使用金屬材料，世界上一些知名的大型公司也對此產(chǎn)生了濃厚的興趣，想借此來提升生產(chǎn)速度，以及花費(fèi)更低的成本（相對機(jī)械加工和模制零件）創(chuàng)造出更復(fù)雜、更輕便的零件。
當(dāng)然，新技術(shù)的應(yīng)用一般都需要經(jīng)歷一個發(fā)展、磨合、適應(yīng)的階段后才會步上正軌，在初期肯定會遇到不少問題，比如備件供應(yīng)商的許可等。馬士基的計劃是聯(lián)合制造商一起開發(fā)3D打印技術(shù)，這樣不但能最大程度地避免一些法律糾紛，而且還能使打印出的備件質(zhì)量更可靠。為其提供發(fā)動機(jī)零件的曼恩柴油機(jī)和透平公司就對此很感興趣，認(rèn)為這是個不可錯過的好時機(jī)。
不過曼恩公司稱，快速制作樣品和較高的設(shè)計自由度無疑是現(xiàn)階段3D打印技術(shù)的最大優(yōu)勢所在，但對于連續(xù)生產(chǎn)簡單零部件來說，這項技術(shù)卻并不適用。同時，由于塑料在發(fā)動機(jī)材料成分上的占比較低，而當(dāng)前使用金屬材料的3D打印其工作速度卻相對較慢，因此雖然曼恩公司對于使用金屬材料進(jìn)行3D打印興趣濃厚，但也承認(rèn)工作速度慢將抵消該技術(shù)的優(yōu)勢。此外，支持金屬材料的3D打印機(jī)目前也較昂貴，購置成本偏高。
除了曼恩公司，其他發(fā)動機(jī)制造商對3D打印同樣持謹(jǐn)慎樂觀態(tài)度。如MTU和瓦錫蘭，這兩家世界知名發(fā)動機(jī)廠商都表示暫未使用3D打印技術(shù)。不過這兩家公司很可能走曼恩的合作路線，并對3D打印技術(shù)的發(fā)展情況保持密切關(guān)注。
雖然3D打印技術(shù)目前還不適合直接用于發(fā)動機(jī)零部件的制造，但也有其他變通模式并已有實際應(yīng)用，比如打印那些復(fù)雜的鑄造模具以生產(chǎn)那些用于發(fā)動機(jī)的金屬鑄件。直接打印金屬部件是下一階段所要攻克的難題，這樣一來就能省去整個鑄造程序，要知道鑄造過程不但成本高，而且精度肯定也不如3D打印。

3D打印船模

除了船上，3D打印技術(shù)在岸上的使用也正逐步增多，比如制造用于常規(guī)水池試驗和檢測空氣動力學(xué)的船模。位于美國卡德洛克的海軍水面作戰(zhàn)中心（NSWC）里，有一團(tuán)隊已成功利用3D打印技術(shù)按比例制作出了1艘尺度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的美國海軍醫(yī)院船（T-AH 20）模型，將用于測試船上風(fēng)力氣流的情況以提升直升機(jī)作業(yè)時的安全性。該船模不僅制作精良，而且比起人工方式明顯更快，因為打印機(jī)可以24小時不間斷工作。團(tuán)隊工程師稱，3D打印技術(shù)使他們在船模制造上如虎添翼，使他們擁有了前所未有的能力，可以提供更快、更精準(zhǔn)、更低成本的艦船模型。不過3D打印艦船模型并不是一樁易事，除了外觀結(jié)構(gòu)之外，還需要工程師利用動力學(xué)、氣學(xué)、機(jī)械、電氣工程等專業(yè)知識，對模型的每一個細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3D打印螺旋槳

2016年初，兩位國外創(chuàng)客嘗試用3D打印機(jī)制作船用螺旋槳，這對于3D打印在螺旋槳制造領(lǐng)域的應(yīng)用來說是一個不錯的開端。為了能讓螺旋槳經(jīng)受得住發(fā)動機(jī)的強(qiáng)大推力和高鹽的海洋環(huán)境，他們選用了四種材料進(jìn)行試驗，分別是ABS、木質(zhì)/PLA、聚碳酸酯和碳纖維PLA。首先，利用三維掃描獲取螺旋槳的外觀，之后借助CAD軟件進(jìn)行內(nèi)部設(shè)計，最后打印出4種材質(zhì)的螺旋槳。出人意料的是，號稱比金屬的強(qiáng)度還高的碳纖維PLA連陸上測試都沒通過，ABS和聚碳酸酯打印出的螺旋槳表現(xiàn)尚可，木質(zhì)/PLA打印的螺旋槳（涂了漆）的表現(xiàn)卻超乎預(yù)期，非常完美。在實船試驗時，ABS螺旋槳有輕微的損裂；而木質(zhì)/PLA螺旋槳卻沒能通過這一輪測試，在馬達(dá)的推進(jìn)下直接破裂了。聚碳酸酯的表現(xiàn)非常好，它不僅能經(jīng)受住馬達(dá)的強(qiáng)大推力，還能在惡劣的行船環(huán)境中保存完好。雖然此次3D打印的螺旋槳功率僅15 hp，但卻表明了選材的重要性，并不是材料強(qiáng)度越高就越適合，只有經(jīng)過充分試驗才能找到最合適的。

3D打印的螺旋槳

美國海軍的3D打印機(jī)應(yīng)用

目前美國海軍的部分艦船已經(jīng)配置了3D打印機(jī)，目前主要是用來打印諸如油蓋、泄水孔塞等小部件，正打算擴(kuò)大應(yīng)用范圍。如此一來的好處就是明顯減少了備件在船上庫存量。
2014年4月，美國海軍在“Essex”號兩棲攻擊艦上安裝了1臺3D打印機(jī)。剛開始只是讓艦員打印一些需要的零部件，目前則正進(jìn)行著一個3D打印無人機(jī)的項目，用來測試那些定制無人機(jī)執(zhí)行特殊任務(wù)時的效果。負(fù)責(zé)執(zhí)行該項目的是來自于海軍研究學(xué)院（Naval Postgraduate School）的研究員，研究內(nèi)容是現(xiàn)代通信技術(shù)和裝配技術(shù)能否結(jié)合到一起，從而為船員在執(zhí)行各種任務(wù)時組合出相對應(yīng)的無人機(jī)。
該項目的基本理念是，由陸地上的研究機(jī)構(gòu)根據(jù)需求設(shè)計出相應(yīng)的無人機(jī)，然后傳輸?shù)脚炆系?D打印機(jī)進(jìn)行無人機(jī)機(jī)體的打印。打印完成后，船員根據(jù)說明書進(jìn)行裝配，將塑料部件和事先在船上準(zhǔn)備好的電子元件組裝到一起，就完成了一架無人機(jī)的制造工作。準(zhǔn)備好的元件包括發(fā)動機(jī)、無線通信設(shè)備、控制器和GPS裝置等。如此一來，艦上只需攜帶少量無人機(jī)通用電子元器件，并且可根據(jù)不同任務(wù)設(shè)計打印出不同的無人機(jī)機(jī)體以配置不同的元件。比如去年12月份“Essex”號上就3D打印了一架用于反恐作業(yè)的無人機(jī)，該無人機(jī)被設(shè)計為可搭載一部發(fā)報機(jī)和一個微型攝像機(jī)，從而能夠?qū)�實時視頻傳送給艦員戴著的頭戴式顯示器上。這樣的方式，同樣也可以應(yīng)用于那些途徑危險海域的商船上。

Essex”號上制作的3D打印無人機(jī)

除了海軍，美國海岸警衛(wèi)隊也在評估3D打印在船上的實際應(yīng)用。2015年夏天，海岸警衛(wèi)隊的“Cutter Healy”破冰船上安裝了一臺MakerBot第五代3D打印機(jī)，并出發(fā)前往北極進(jìn)行為期三周的科學(xué)考察。在考察過程中，這臺3D打印機(jī)一直處于忙碌狀態(tài)，解決了許多看似很小，卻很讓人頭疼的問題，可謂是大顯身手。比如在離港后，每天都要清洗70多套餐具的洗碗機(jī)壞掉了，這樣就不得不使用紙質(zhì)的盤子和杯子，而且還是限量供應(yīng)，這就讓船員們的就餐感受大打折扣。幸運(yùn)的是，船上的3D打印機(jī)很快就打印出部件修復(fù)了洗碗機(jī)。此后，船員們紛紛利用3D打印來解決自己的技術(shù)問題，于是這臺3D打印機(jī)就成為了一個合格的勤雜工，比如幫助將一部Go Pro攝像機(jī)安裝到大型航空氣球上，以及為某個飽受折磨的船員3D打印合腳的鞋墊，甚至是一些娛樂道具。相關(guān)工程人員希望未來能同時使用多臺不同種類的打印機(jī)，這樣就能滿足更多的不同需求。

英國海軍的3D打印技術(shù)應(yīng)用

5年前，英國南安普敦大學(xué)宣布成功設(shè)計并放飛了世界上第一架3D打印無人機(jī)“SULSA”，翼展1.5米，螺旋槳驅(qū)動。在經(jīng)過一系列改進(jìn)后，2015年年中，該型3D打印無人機(jī)在英國皇家海軍“River”級巡邏艇“Mersey”號上進(jìn)行了海試，地點(diǎn)為多塞特沿岸海域。不過不同于美國在艦上實時3D打印出無人機(jī)，目前SULSA是在陸上進(jìn)行3D打印，之后在船上組裝。當(dāng)前SULSA的四大主體部分都是使用EOS EOSINT P730尼龍激光燒結(jié)打印機(jī)制作出塑料或者金屬結(jié)構(gòu)，所有構(gòu)件之間均沒有扣件，使用“卡扣固定”技術(shù)連接在一起，因此幾分鐘就可以完成全部組裝工作并且無需任何工具。SULSA的重量只有3kg，從一個3米長的彈射器上發(fā)射出去，機(jī)上裝備了自動駕駛儀，最高飛行速度約161km/h。
由于傳統(tǒng)艦載無人機(jī)成本較高，一次小小的操作失誤或零部件問題就可能使百萬英鎊沉入海里。而SULSA的成本僅7000英鎊，雖然只能飛行約40分鐘，但以足夠完成如監(jiān)控海盜、走私之類的任務(wù)，即便損失也能承受。此次海試基本上就是為了評估“一次性”無人機(jī)如何應(yīng)用于軍事和救援行動。使用這樣的3D打印無人機(jī)不僅可以降低成本，而且還可以根據(jù)任務(wù)性質(zhì)進(jìn)行“私人定制”。

正在進(jìn)行海試的SULSA

2016年，SULSA正式投入實際應(yīng)用，為英國皇家海軍“Protector”號破冰船的南極之行偵察路線，為該船探索最佳航行路徑。SULSA每次執(zhí)行任務(wù)的時間約30分鐘，飛行速度約96km/h。雖然機(jī)上配備了自動駕駛儀，但在此次任務(wù)中船員依舊將通過筆記本電腦對SULSA進(jìn)行遙控，傳回機(jī)載攝像頭拍攝到的實時畫面，并且還能回收重復(fù)使用。

破冰船船員正在回收SULSA

       英國方面稱，在五年內(nèi)，海軍艦艇上將配備能夠打印像SULSA這類無人機(jī)的多材料3D打印機(jī)，到時候，每一個無人機(jī)都將是針對特定任務(wù)定制的。另據(jù)報道，在英國“星點(diǎn)”工程中有一個名為“無畏艦2050”的項目，其中就提到2050年時，英國的戰(zhàn)艦的艦體將采用可以變?yōu)榘胪该鞯谋�烯酸材料，以提供全方位的視野，同時艦上還將安裝3D打印機(jī)，用于制造激光和電磁武器乃至無人機(jī)群。

其他應(yīng)用

除了上述一些應(yīng)用，3D打印技術(shù)在船舶領(lǐng)域還有許多其他實際應(yīng)用，比如新加坡Tru-Marine公司利用3D打印快速維修和制造渦輪增壓器部件、鹿特丹將建3D打印中心以快速維修到港船舶、3D打印噴水推進(jìn)小艇模型（除電子設(shè)備和電池以外的所有部分）等。此外，為了提升人們對于3D打印的信心，消除對于3D打印產(chǎn)品質(zhì)量的疑慮，英國勞氏船級社已于2016年1月7日發(fā)布了3D打印全球認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

3D打印的噴推小艇模型及噴推部件

從這些案例可以看出，3D打印技術(shù)的高精度、高自由度、用料省、成型便捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)勢對于船舶行業(yè)來說有著不小的吸引力，并且已對船舶的設(shè)計、建造、運(yùn)營、維修等各個階段產(chǎn)生了影響。

延伸閱讀：
Flirtey公司完成美國首次3D打印無人機(jī)船-岸送貨