3D打印技术能否颠覆船舶制造

本刊记者 徐华

有消息称，全球最大的集运公司马士基7月宣布，计划采用3D打印技术来制造集装箱船上的部分船舶备件。马士基方面表示，集装箱船在航行期间，若船内配件受损，短期内难以迅速获得廉价便捷的更换服务，因此3D打印似乎成为了一种完美的解决方案。至此，3D打印应用于船舶配套行业，乃至造船业似乎又近了一步，那么，3D打印机上船是否对造船业具有革命性意义？为此，本刊专访了江南造船集团总工程师胡可一。

记者：3D打印机上船对造船以及配套业带来哪些变革和挑战？是否会改变传统造船的理念？如何改变？传统设备制造和提供模式会否遭到颠覆？

胡可一：从船舶建造工艺的发展历史的来看，钢制船舶最大的革命性变革就是从铆接到焊接，其后的工艺进步多是技术的小改进，主要是提升效率、节约成本，但建造工艺技术的本质没有发生根本性变化。马士基的大胆设想留给造船与配套行业很大的想象空间，也留下了很多疑问。由于马士基并没有说明打印哪种配件，对于集装箱船来说，和常规船舶一样其易损件多半是运动部件，如推进主机、发电机、舵机等设备上的运动零部件，但这些部件一般都是由原厂通过全球保修服务网络提供备件的并按一定的使用年限进行更换。如果在船上进行3D打印的话，必须带大量的不同类型的原材料，其实用性会会大大折扣。此外，还有大量的操作性的问题需要解决，首先，如果是运动部件或有公差配合的零部件，其质量标准必须要通过原生产厂商和船级社的认可，才可以安装使用，自已生产的配件可以随便用吗？其次，船舶航行中的晃动摇摆，也不利于精密零件的生产，产品质量能保证吗？第三，打印机是个性化生产，成本高，到下一港口更换岂不更为方便可行和经济实惠？第四，后续的保修服务如何进行？原生产厂商是否愿意延续？

目前从材料，以及技术原理来看，3D打印机广泛应用于造船与配套业的可能性并不大，3D打印机的应用空间没有想象的那么大，还有很大的局限性。

记者：那么，3D打印机要想真正走进船舶制造业，还需要克服哪些技术障碍？有哪些不利因素阻挡其走进造船工业？

胡可一：3D打印技术属于“增材制造”，是通过原材料的叠加固化形成产品。而传统的钢质船舶的造船技术来说是“减材制造”，通过切割实现机械产品的准确性，前者所生产出的产品强度、硬度，以及精准度都要远远落后于后者。另外，增材制造与减材制造的最大不同在于两者之间的精度，减材制造最后切削的精准度可以用“N分之一丝”来计算，而增材制造对于大型生产部件来说，很难控制其准确度，若要精准到“N分之一丝”，还必须经过减材制造这个流程。

当然，3D打印机采用特种材料，通过增材制造，可以生产出一个形状很仿真的东西，但很难达到其原有的功能。比如说，其可以打印出一把手枪，但打印出来的可能只是一把模型枪，很难实现其真正的功能。枪管和枪机等部件表面的硬度和其耐高温的性能，都不能通过简单的打印设备来实现。3D打印机对复杂工艺产品还是“零部件级别”的。

对于造船，3D打印技术有更大的局限性。首先是材料受限。马士基也表示，由于热塑性塑料是目前3D打印机可用的唯一材料，这会对所制造的备件造成一定限制。但未来预计市场上将出现更加先进的打印机。二是空间受限，打印机是一个包容性的设备，产品通常要比打印机小，不像传统造船，是将小板拼成大板，大板拼成立体结构。三是打印机的生产模式类似于铸造和喷涂，而现代钢质船体通常是薄壳结构，用铸造的方法很难达到“空间/自重”比。所以，在攻克这些技术问题之前，3D打印真正走进造船业，还是很难想象的。当然，这是指钢质船舶甚至拓展一下是金属质（如铝合金）船舶，在非金属材质的船舶（如玻璃钢）制造方面，3D打印还是大有作为的。

记者：是否可以畅想一下，3D打印机可以在哪些领域有所突破？

胡可一：其实，3D打印的技术原理并不陌生，也在实际生产制造领域有相当的应用。比如，管子内部的喷涂，就是运用了打印机喷涂原理。只不过，我们没有将它定义为3D打印。在机械制造中，机械手在产品部件内部的切割焊接，也是部分3D打印的概念。具体到船舶建造领域，3D打印机应用于配件生产的可能性也并非不可能。铸造、锻造，或拉伸的零件，可采用3D打印制造，这样可以相对提高铸件的精密度，如原来铸造出的零件的冗余度很大，那么，用3D打印制造可以很大程度上提高零件的准确度，节约原材料，然后其配合面再通过车床对其进行加工，但这与原来3D打印机的初衷不同。如果把计算机系统生成数据文件输入到一个数控生产设备里生产出最终产品看作“3D打印”的话，那么3D打印的范围就广了。

铸造等行业作业环境差，在劳动力日趋高企的情况下，3D打印作为一种改善生产环境的替代方案不失为一种选择。但由于当前铸造等生产早已是批量化大规模的生产方式，成本很低，3D打印在经济性上并没有优势，同时，若3D打印机的工作原理与之前的喷墨打印机相同，则3D打印的效率也不会很高。只有将应用于相对个性化的生产，尤其以贵金属为材料的产品，才能发挥其本身的优势。比如说，用于首饰、装饰物的个性化生产。

个性化的标签可能让3D打印与大众化批量的生产暂时告别，但对一些小众船型来说，却有用武之地，比如玻璃钢船、游艇等小型特殊船型。特别是可喷涂材料的解决，如碳纤维、增强塑料等，现在玻璃钢船的手工生产模式，与打印机工作原理还是比较相似的。

记者：未来还有哪些新技术有可能对传统的船舶制造业带来技术革命？

胡可一：现在中国造船工业的发展主要是靠要素的投入，比如产能提升、大船坞和大吊车、厂房加大、生产设备增加来推动。从目前来看，数字化在造船领域的应用，如计算机管理、三维建模应用等方面越来越完善，智能化越来越强。生产过程的模拟技术，也是数字技术的一种应用，通过对生产流程的模拟、物料的模拟等来实现精细化管理。另外，生产设备不断在更新换代，比如起重能力的提升等。节能减排的一些技术，如风帆技术、空气润滑等的应用，也是在不断推陈出新。

但对于造船业的革命性变革，目前看并没有产生明显的迹象。在目前产能过剩的大环境下，提高效率的本意是降低企业的成本，渡过难关，更应从管理上入手而不是仅仅增加要素投入。二十年前，欧洲一些船厂为了遏制造船业的东移，也在提高生产设备自动化方面上做了大量的投入和尝试，结果都不是很成功，之后却是因为雇佣了东欧国家的一些廉价劳动力而节省了很多劳动力成本。但这些努力并没有阻止造船业东移的大趋势，一些欧洲船厂依靠高技术复杂船型，如豪华客船，在没有大量增加新要素投入、没有扩大规模的情况却生存下来了。