盤(pán)點(diǎn)：3D打印技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)，一般被應(yīng)用在高精尖的領(lǐng)域當(dāng)中，但對(duì)于船舶制造這種黑大粗的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，會(huì)有哪些應(yīng)用呢？

源于美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)的定義， 增材制造是依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)將材料連接制作物體的過(guò)程，是一種逐層累加的加工過(guò)程；3D打印是指采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)沉積材料來(lái)制造物體的技術(shù)，3D打印也常用來(lái)表示增材制造技術(shù)。增材制造技術(shù)有別于傳統(tǒng)的切削加工方式，是利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上快速成型的加工方法，解決了許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件成型問(wèn)題，并有效縮短了加工周期。到目前為止，增材制造技術(shù)已成功應(yīng)用于食品、藝術(shù)品、時(shí)裝、航空航天、汽車、醫(yī)療、建筑及教育等行業(yè)，被美國(guó)《時(shí)代》周刊列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”，英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》則將其推崇為“第三次工業(yè)革命”。由此可見(jiàn)增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展前景。

英軍艦試飛3D打印無(wú)人機(jī)

　　3D打印鈦合金零件

　　1. 增材制造技術(shù)的發(fā)展
增材制造技術(shù)如果從1986年美國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)的第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)開(kāi)始算起的話，到2016年為止整整30年了，在此期間，市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)于2005年問(wèn)世，到2014年，世界上已有3D打印建筑投入使用、3D打印汽車橫穿美國(guó)、3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)測(cè)試……，增材制造技術(shù)（3D打印）的發(fā)展速度令人驚嘆。

　　在政策方面， 許多國(guó)家將增材制造技術(shù)列為國(guó)家戰(zhàn)略技術(shù)發(fā)展的重要方向，例如美國(guó)早在2012年就將增材制造技術(shù)列為國(guó)家制造業(yè)的首要戰(zhàn)略任務(wù)，我國(guó)也在2015年8月由李克強(qiáng)總理組織召開(kāi)國(guó)務(wù)院座談會(huì)，專門(mén)討論3D打印技術(shù)的發(fā)展與振興中國(guó)制造業(yè)的關(guān)系，將發(fā)展增材制造技術(shù)推向了前所未有的高度。

　　科學(xué)家們相信，在許許多多科研機(jī)構(gòu)的努力下和相關(guān)政策的支持下，增材制造技術(shù)將會(huì)有廣闊的發(fā)展空間。

　　2. 增材制造技術(shù)在船舶制造業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀
增材制造是一門(mén)新興的科學(xué)技術(shù)，雖然近幾年來(lái)在眾多領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，但是在各個(gè)行業(yè)還未見(jiàn)商業(yè)化廣泛推廣，離走進(jìn)尋常百姓家還有很長(zhǎng)的路要走，在船舶領(lǐng)域也不例外，近期也有學(xué)者撰文說(shuō)增材制造技術(shù)短期內(nèi)在船舶制造業(yè)中很難廣泛應(yīng)用。盡管如此，增材制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)性還是吸引了國(guó)內(nèi)外不少公司和科學(xué)家都在嘗試將該技術(shù)應(yīng)用到船舶領(lǐng)域，并也取得了初步成果。

　�。�1） 船舶備件供應(yīng)領(lǐng)域。對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)，尤其是遠(yuǎn)洋油輪和遠(yuǎn)海航行或作戰(zhàn)的軍船，設(shè)備故障的修理是很常見(jiàn)的事情，為了應(yīng)付一些突發(fā)情況所需的零部件，要么隨船帶足事先預(yù)想的各種可能需要的零件；要么想辦法靠岸修理，這兩種選擇無(wú)論哪種都會(huì)帶來(lái)較高的修理成本和風(fēng)險(xiǎn)。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到船舶備件的供應(yīng)鏈中，不失為一種很好的解決方法。

　　在民船方面， 馬士基油輪公司率先將這一設(shè)想在實(shí)踐中進(jìn)行嘗試，雖然到現(xiàn)在為止未見(jiàn)成功案例的報(bào)道，但是可以預(yù)見(jiàn)的是一旦將3D打印技術(shù)應(yīng)用成功的話，將會(huì)取得莫大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。據(jù)馬士基公司稱，__由于油船是被禁止進(jìn)入港口主要區(qū)域的， 所以傳統(tǒng)的修船方法是首先確定油輪上所需更換的零部件，然后通知公司將零件運(yùn)往船舶經(jīng)過(guò)的下一個(gè)港口，最后租一艘小艇將零件送到船上，還得加上倉(cāng)儲(chǔ)、包裝及清關(guān)等運(yùn)營(yíng)成本，更換一個(gè)零件的總費(fèi)用就高達(dá)5 000美元。如果采用3D打印技術(shù)，只需在船上配備一臺(tái)打印機(jī)和一些打印材料，用時(shí)將零件打印出來(lái)就可以了。采用3D打印技術(shù)不但可以縮短零件的交付周期、節(jié)約成本，還可以減少因能源的消耗而產(chǎn)生的環(huán)保問(wèn)題。

　　除此之外，早在2014年美國(guó)海軍就提出了“打印艦艇”的概念 ，將增材制造及3D打印技術(shù)應(yīng)用到零部件的供應(yīng)鏈中，美國(guó)海軍人士稱，掌握增材制造技術(shù)將是海軍的優(yōu)勢(shì)之一，如果能在船的航行狀態(tài)下使用3D打印技術(shù)，將是一件里程碑式的事件，必將大量減少備品備件的攜帶量，增加武器、燃料及補(bǔ)給的攜帶量，從而顯著提高海軍的遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)能力。

　�。�2）3D打印船模。美國(guó)卡德洛克海軍水面作戰(zhàn)中心采用3D打印技術(shù)成功打印出美軍醫(yī)療船模型，用于測(cè)試船上風(fēng)力氣流的情況，該中心科學(xué)家稱3D打印可以提供更快、更精準(zhǔn)及更低成本的艦船模型。如果將該技術(shù)推廣應(yīng)用，在相同和相似領(lǐng)域必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

　�。�3）3D打印螺旋槳。2016年初，國(guó)外兩位發(fā)燒友嘗試采用3D打印技術(shù)制造螺旋槳，他們同時(shí)選用了4種材料進(jìn)行對(duì)比，取得了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　（4） 3D打印無(wú)人機(jī)。英國(guó)早在五年前就應(yīng)用3D打印技術(shù)打印了世界上第一臺(tái)無(wú)人機(jī)SULSA，經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)后，于2015年進(jìn)行海上試飛試驗(yàn)，盡管它只能飛行40min，但其低廉的成本和完成任務(wù)的表現(xiàn)，足以使人們產(chǎn)生濃厚的興趣和繼續(xù)研究的決心。2016年SULSA正式服役，為英國(guó)皇家海軍破冰船的南極之旅偵查路線。

　　美國(guó)海軍研究學(xué)院?jiǎn)��?dòng)3D打印無(wú)人機(jī)項(xiàng)目，該項(xiàng)目將現(xiàn)代通信技術(shù)和裝備技術(shù)完美結(jié)合，為海軍執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)打印出相應(yīng)的無(wú)人機(jī)，2015年12月打印出一架反恐無(wú)人機(jī)，可搭載反恐所需的通信設(shè)備。與英國(guó)不同的是，美國(guó)的3D打印無(wú)人機(jī)是在船上完成的，將3D打印技術(shù)又向前推進(jìn)了一大步。

　　（5）其他方面。增材制造除以上應(yīng)用外，還在發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造模具、渦輪增壓部件及小艇模型等得到應(yīng)用，增材制造（3D打�。┘夹g(shù)正在船舶領(lǐng)域的各個(gè)方面大顯身手。2016年1月7日，勞氏船級(jí)社頒布3D打印全球認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，旨在指導(dǎo)規(guī)范增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用。

　　3. 增材制造技術(shù)在船舶領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)瓶頸
目前，增材制造3D打印技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用相對(duì)于整個(gè)造船領(lǐng)域來(lái)說(shuō)只是冰山一角，遠(yuǎn)未達(dá)到廣泛應(yīng)用的程度，究其原因增材制造技術(shù)還是一門(mén)新興的科學(xué)技術(shù)，還有很多技術(shù)瓶頸未能突破，比如以下幾個(gè)方面：

　�。�1）增材制造材料的相對(duì)匱乏。傳統(tǒng)造船業(yè)所使用的材料主要為金屬材料，金屬材料的發(fā)展已有幾千年的歷史了，在這漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中金屬材料的種類多種多樣，性能各異，制造工藝也日益成熟，可以滿足船舶制造的不同需求。而增材制造所使用的材料相比之下少之又少，制造的產(chǎn)品也遠(yuǎn)不能滿足使用要求。因此，原材料的種類性能不能有大的進(jìn)展，將直接影響增材制造技術(shù)的推廣使用。

（2）測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)的相對(duì)滯后。傳統(tǒng)工業(yè)在發(fā)展過(guò)程中，形成了一整套成熟的測(cè)試、評(píng)判、失效分析、安全評(píng)價(jià)和壽命評(píng)估技術(shù)，為產(chǎn)品的安全使用保駕護(hù)航，從而減少生命與經(jīng)濟(jì)的損失。增材制造技術(shù)的發(fā)展僅有30年的歷史，科學(xué)家們所關(guān)注的重點(diǎn)大多集中在工藝與產(chǎn)品的研發(fā)上，而對(duì)測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)卻鮮有報(bào)道。由于增材制造技術(shù)是一門(mén)相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)完全不同的加工制造方法，所以其測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)也必將不同。在世界各國(guó)造船系統(tǒng)中都有嚴(yán)格的檢測(cè)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，增材制造技術(shù)在沒(méi)有形成成熟的測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之前，是很難讓人接受的。
　　（3）知識(shí)結(jié)構(gòu)的需求。增材制造技術(shù)的應(yīng)用對(duì)勞動(dòng)者提出了更高的要求，需要掌握機(jī)械設(shè)計(jì)、軟件編程、動(dòng)力學(xué)及電氣工程等各個(gè)門(mén)類的知識(shí)，復(fù)合型人才的培養(yǎng)必將影響教育系統(tǒng)的改革，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。
　　
（4）其他方面。勞動(dòng)對(duì)象和勞動(dòng)習(xí)慣的改變必將影響人類的生存習(xí)慣，增材制造技術(shù)的發(fā)展將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。


　　4. 增材制造技術(shù)應(yīng)用展望
增材制造技術(shù)雖然是剛剛發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，但其發(fā)展日新月異，科技工作者們一致認(rèn)為增材制造技術(shù)必將廣泛應(yīng)用于船舶制造業(yè)，對(duì)造船業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

　　5. 結(jié)語(yǔ)
我國(guó)是一個(gè)造船大國(guó)，但并不是造船強(qiáng)國(guó)，目前的船舶制造業(yè)是一個(gè)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，較適合我國(guó)人口紅利時(shí)期的發(fā)展。隨著世界現(xiàn)代科技與軍事技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)必將完成由造船大國(guó)向造船強(qiáng)國(guó)的蛻變。增材制造技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用有可能對(duì)造船業(yè)產(chǎn)生革命性的影響，占領(lǐng)增材制造技術(shù)的制高點(diǎn)，必將推動(dòng)我國(guó)造船業(yè)的快速發(fā)展，成為世界造船強(qiáng)國(guó)。

作者：中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所    李雪峰    夏申琳    楊    曉
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