3D打印技术在船舶领域的应用

3D打印的学术性名称为增材制造,始于20世纪80年代的快速成型技术,其概念则起源于更早的19世纪美国,直到最近几年才逐渐发展成一项热门技术,被人称之为“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。该技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,只需要1台支持三维设计的计算机,通过计算机控制与其相连的3D打印机,就可以利用熔合焊接、烧结、黏结等手段把打印材料逐层构建起来,从而快速、精确地制造出任意复杂形状的物件。目前3D打印能使用的材料包括尼龙、石膏、陶瓷、铝、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等。3D打印技术可以细分为多个类型,主要是以可用材料和构层方式来区分,详见表1。其中,就目前而言最先进的技术为直接金属激光烧结,掌握该技术的组织在全球范围内也屈指可数。

表1:3D打印的技术分类

当前3D打印所涉及的领域包括珠宝、服饰、工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、医疗、教育、地理信息系统、土木工程、武备等行业。对于船舶行业来说,3D打印可以算得上是一门非常新的技术,就目前而言,实际应用并不多,不过可以确定的是,3D打印技术作为制造业的组成部分,该技术的发展必然会给船舶行业带来重要影响,不仅是在设计制造阶段,还包括运营阶段,虽然目前还不是很明显,但相关各界均已开始对此表示关注。

3D打印的优势和劣势

要了解3D打印到底能为船舶行业带来什么影响,首先就要了解该技术的优势和劣势,这样才能更好地做出定位。

从优势方面看,主要表现在:

精度高——传统的产品制造需要对毛坯进行一系列加工如打磨、切除等才能算真正完成,而3D打印则是直接成型,这种方式精度更高,光顺度也更好,尤其是在打印复杂物件时更具优势。

用料省——同样是因为直接成型,故3D打印并不存在“边角料”,比传统制造方式更节省原材料。

自由度高——3D打印可以制造出任意复杂形状的物件,包括一些过去难以实现的复杂结构。而且由于采用逐层构建方式,因此不论是简单或复杂物件,之间的区别并不太大。

成型便捷——不像传统制造方式,3D打印过程中无需制作模具以及后期加工,因此生产周期大幅缩短。此外,在设计阶段,若能便捷地制作出样品或模型,也有利于对设计进行验证和改进,提高设计水平和效率。

经济性好——这里的经济性主要有两方面,首先是生产过程,由于无需模具,因此可以省下一笔不小的费用,尤其是对那些批量小、定制型的产品。其次是后期供应链环节,以船舶为例,若能在船上自行制造替换用的零部件,那也能节省不少开支。

3D打印技术也存在着不足,主要表现在:

材料限制——虽然目前3D打印已能支持尼龙、石膏、陶瓷、金属等各类材料,但依旧不算全面,一些昂贵和稀缺的材料还无法实现打印,而且单台3D打印机所能支持的材料也有限。

生产效率问题——上文有提到3D打印成型便捷,但这只是针对制作模型或原型产品,对于那种在生产线上大批量制作的产品来说就不那么给力了。此外,金属物件的打印速度也相对较慢,对于如发动机这种金属构件占90%以上的产品来说,目前也很难应用于生产线。

购置成本较高——现阶段,3D打印机本身和打印材料占据了成本组成的大部分,特别是那些支持金属材料的3D打印机,如一台支持金属材料的3D打印机价格约100万美元,而一台工业用的塑料3D打印机仅需25000美元。

打印机的操作——在进行3D打印前,需要先进行设计和建模,这对于普通人来说比较有难度,包括船上的普通船员,因此目前一些3D打印操作都是有专人负责。未来即使商家会提供一些产品库,但对于一些定制物件来说,仍然不是每个人都能操作的。

法律与道德问题——首先是法律问题,比如知识产权和规范标准,3D打印所制造出的产品如发动机零部件等是否能擅自使用?需不需要获得原厂商等相关方的认证和授权?出了问题到底是哪方负责?其次是道德问题,如枪支等危险物品都已能通过3D打印实现制造,若是被不法分子利用,将对社会产生不可忽视的危害。

3D打印在船舶领域的应用

从上述3D打印的优缺点来看,该技术在船舶领域还是有着较好的发展前景,可应用的范围也较大。例如,在船舶设计阶段制作用于验证和改进设计的模型;一些小批量、定制型船舶配套产品的制造;运营阶段备件的供应;舰载无人机、无人艇,甚至小艇的制造等。下文将列举一些3D打印技术在船舶领域的实际应用案例以及相关方对此新技术的态度和看法。

1.马士基的3D打印备件供应链

数年前,马士基油轮公司就已在追赶潮流,试图利用3D打印这项新技术革新其船舶备件供应链。该公司相关人士称,对于船员来说处理设备故障是一种常见的挑战,工作重点在于如何将部件尽可能快地从陆上送到船上。按照传统方法,首先要确定需要什么部件,之后将其运往船舶下一个要经过的港口,最后租一艘小艇将所需要的部件送到船上。之所以要租用小艇,是因为鉴于油船货物的危险性,一般是被禁止进入港口主要区域的。

除了这些步骤,事实上,油船还经常不能按时到港,这就使部件的运送工作变得更复杂。马士基油轮公司有三分之二的船是以现货交易的模式运营,因此客户租船后,并不会每次都明确在哪里卸货,可能是从委内瑞拉到休斯顿之间的任何港口,这种不确定性也为备件的运送工作带来了一些麻烦。从成本上来看,算上仓库贮存、包装、空运至港口、清关,以及租用小艇等一系列费用,那么仅将1个零件运送至船上的成本就高达5000美元。另外,一系列运输过程还会产生不少废气排放,不利于环保。总的来看,我们可以把传统运送备件到船上这项工作的劣势归纳为作业过程复杂、会产生不低的费用、会对环境产生不小的影响,以及延长船舶航行时间这四个方面。

通常来讲,新兴的技术意味着还有很多未知,虽然目前还不知道3D打印技术在船上能发挥到什么程度的作用,但即使只能打印一小部分零件,那也会对供应链成本带来不小冲击。若在船上使用3D打印,则将免去包装、运输等一系列费用,而且还更环保。

于是,马士基决定在旗下的1艘油船上安装3D打印机以便船员“打印”出所需要的零件。不过令人遗憾的是,这次尝试被默默地搁置在一边,马士基油轮公司也没有更新进展报道。有报道猜测该公司可能更愿意先在岸上使用3D打印机而不是在船上,这样至少能缩短备件的交付时间,当然,前提是这些备件可以被打印出来。

2.在发动机制造领域的应用

由于目前3D打印已能使用金属材料,世界上一些知名的大型公司也对此产生了浓厚的兴趣,想借此来提升生产速度,以及花费更低的成本(相对机械加工和模制零件)创造出更复杂、更轻便的零件。

当然,新技术的应用一般都需要经历一个发展、磨合、适应的阶段后才会步上正轨,在初期肯定会遇到不少问题,比如备件供应商的许可等。马士基的计划是联合制造商一起开发3D打印技术,这样不但能最大程度地避免一些法律纠纷,而且还能使打印出的备件质量更可靠。为其提供发动机零件的曼恩柴油机和透平公司就对此很感兴趣,认为这是个不可错过的好时机。

不过曼恩公司称,快速制作样品和较高的设计自由度无疑是现阶段3D打印技术的最大优势所在,但对于连续生产简单零部件来说,这项技术却并不适用。同时,由于塑料在发动机材料成分上的占比较低,而当前使用金属材料的3D打印其工作速度却相对较慢,因此虽然曼恩公司对于使用金属材料进行3D打印兴趣浓厚,但也承认工作速度慢将抵消该技术的优势。此外,支持金属材料的3D打印机目前也较昂贵,购置成本偏高。

除了曼恩公司,其他发动机制造商对3D打印同样持谨慎乐观态度。如MTU和瓦锡兰,这两家世界知名发动机厂商都表示暂未使用3D打印技术。不过这两家公司很可能走曼恩的合作路线,并对3D打印技术的发展情况保持密切关注。

虽然3D打印技术目前还不适合直接用于发动机零部件的制造,但也有其他变通模式并已有实际应用,比如打印那些复杂的铸造模具以生产那些用于发动机的金属铸件。直接打印金属部件是下一阶段所要攻克的难题,这样一来就能省去整个铸造程序,要知道铸造过程不但成本高,而且精度肯定也不如3D打印。

3.3D打印船模

除了船上,3D打印技术在岸上的使用也正逐步增多,比如制造用于常规水池试验和检测空气动力学的船模。位于美国卡德洛克的海军水面作战中心(NSWC)里,有一团队已成功利用3D打印技术按比例制作出了1艘尺度大、结构复杂的美国海军医院船(T-AH 20)模型,将用于测试船上风力气流的情况以提升直升机作业时的安全性。该船模不仅制作精良,而且比起人工方式明显更快,因为打印机可以24小时不间断工作。团队工程师称,3D打印技术使他们在船模制造上如虎添翼,使他们拥有了前所未有的能力,可以提供更快、更精准、更低成本的舰船模型。不过3D打印舰船模型并不是一桩易事,除了外观结构之外,还需要工程师利用动力学、气学、机械、电气工程等专业知识,对模型的每一个细节进行处理,以达到标准要求。

图1:3D打印的美国海军医院船船模

4.3D打印螺旋桨

对于复杂的现代化螺旋桨来说,3D打印也有着较乐观的发展前景,因为目前该领域在复合材料螺旋桨方面的发展非常缓慢,而这恰好是3D打印的优势。

图2:3D打印的螺旋桨

2016年初,两位国外创客尝试用3D打印机制作船用螺旋桨,这对于3D打印在螺旋桨制造领域的应用来说是一个不错的开端。为了能让螺旋桨经受得住发动机的强大推力和高盐的海洋环境,他们选用了四种材料进行试验,分别是ABS、木质/PLA、聚碳酸酯和碳纤维PLA。首先,利用三维扫描获取螺旋桨的外观,之后借助CAD软件进行内部设计,最后打印出4种材质的螺旋桨。出人意料的是,号称比金属的强度还高的碳纤维PLA连陆上测试都没通过,ABS和聚碳酸酯打印出的螺旋桨表现尚可,木质/PLA打印的螺旋桨(涂了漆)的表现却超乎预期,非常完美。在实船试验时,ABS螺旋桨有轻微的损裂;而木质/PLA螺旋桨却没能通过这一轮测试,在马达的推进下直接破裂了;聚碳酸酯的表现非常好,它不仅能经受住马达的强大推力,还能在恶劣的行船环境中保存完好。虽然此次3D打印的螺旋桨功率仅15hp,但却表明了选材的重要性,并不是材料强度越高就越适合,只有经过充分试验才能找到最合适的。

5.美国海军的3D打印机应用

物流不仅对民用船舶是个挑战,对军用舰船来说更是如此,因此在军舰上就会有各种备件储备以应对这个问题。美国海军(USN)对于3D打印技术的探索应该属于起步较早的,目前美国海军的部分舰船已经配置了3D打印机,目前主要是用来打印诸如油盖、泄水孔塞等小部件,正打算扩大应用范围。如此一来的好处就是明显减少了备件在船上库存量。

2014年4月,美国海军在“Essex”号两栖攻击舰上安装了1台3D打印机。刚开始只是让舰员打印一些需要的零部件,目前则正进行着一个3D打印无人机的项目,用来测试那些定制无人机执行特殊任务时的效果。负责执行该项目的是来自于海军研究学院(Naval Postgraduate School)的研究员,研究内容是现代通信技术和装配技术能否结合到一起,从而为船员在执行各种任务时组合出相对应的无人机。

该项目的基本理念是,由陆地上的研究机构根据需求设计出相应的无人机,然后传输到舰上的3D打印机进行无人机机体的打印。打印完成后,船员根据说明书进行装配,将塑料部件和事先在船上准备好的电子元件组装到一起,就完成了一架无人机的制造工作。准备好的元件包括发动机、无线通信设备、控制器和GPS装置等。如此一来,舰上只需携带少量无人机通用电子元器件,并且可根据不同任务设计打印出不同的无人机机体以配置不同的元件。比如去年12月份“Essex”号上就3D打印了一架用于反恐作业的无人机,该无人机被设计为可搭载一部发报机和一个微型摄像机,从而能够将实时视频传送给舰员配备的头戴式显示器上。这样的方式,同样也可以应用于那些途径危险海域的商船上。

图3:“Essex”号上制作的3D打印无人机

除了海军,美国海岸警卫队也在评估3D打印在船上的实际应用。2015年夏天,海岸警卫队的“Cutter Healy”破冰船上安装了一台MakerBot第五代3D打印机,并出发前往北极进行为期三周的科学考察。在考察过程中,这台3D打印机一直处于忙碌状态,解决了许多看似很小,却很让人头疼的问题,可谓是大显身手。比如在离港后,每天都要清洗70多套餐具的洗碗机坏掉了,这样就不得不使用纸质的盘子和杯子,而且还是限量供应,这就让船员们的就餐感受大打折扣。幸运的是,船上的3D打印机很快就打印出部件修复了洗碗机。此后,船员们纷纷利用3D打印来解决自己的技术问题,于是这台3D打印机就成为了一个合格的勤杂工,比如将一部Go Pro摄像机帮助安装到大型航空气球上,以及为某个因脚疾饱受折磨的船员3D打印合脚的鞋垫,甚至是一些娱乐道具。相关工程人员希望未来能同时使用多台不同种类的打印机,这样就能满足更多的不同需求。

6.英国海军的3D打印技术应用

英国皇家海军也在尝试类似的应用,并且目前已有一型利用3D打印技术制造的舰载小型无人飞机正式投入使用。

5年前,英国南安普敦大学宣布成功设计并放飞了世界上第一架3D打印无人机“SULSA”(Southampton University Laser Sintered Aircraft,南安普敦大学激光烧结飞机),翼展1.5米,螺旋桨驱动。在经过一系列改进后,2015年年中,该型3D打印无人机在英国皇家海军“River”级巡逻艇“Mersey”号上进行了海试,地点为多塞特沿岸海域。不过不同于美国在舰上实时3D打印出无人机,目前SULSA是在陆上进行3D打印,之后在船上组装。当前SULSA的四大主体部分都是使用EOS EOSINT P730尼龙激光烧结打印机制作出塑料或者金属结构,所有构件之间均没有扣件,使用“卡扣固定”技术连接在一起,因此几分钟就可以完成全部组装工作并且无需任何工具。SULSA的重量只有3kg,从一个3米长的弹射器上发射出去,机上装备了自动驾驶仪,最高飞行速度约161km/h。

图4:正在进行海试的SULSA

图5:破冰船船员正在回收SULSA

由于传统舰载无人机成本较高,一次小小的操作失误或零部件问题就可能使价值百万英镑的无人机沉入海底。而SULSA的成本仅7000英镑,虽然只能飞行约40分钟,但已足够完成如监控海盗、走私之类的任务,即便损失也能承受。此次海试基本上就是为了评估“一次性”无人机如何应用于军事和救援行动。使用这样的3D打印无人机不仅可以降低成本,而且还可以根据任务性质进行“私人定制”。

2016年,SULSA正式投入实际应用,为英国皇家海军“Protector”号破冰船的南极之行侦察路线,为该船探索最佳航行路径。SULSA每次执行任务的时间约30分钟,飞行速度约96km/h。虽然机上配备了自动驾驶仪,但在此次任务中船员依旧将通过笔记本电脑对SULSA进行遥控,传回机载摄像头拍摄到的实时画面,并且还能回收重复使用。

英国方面称,在五年内,海军舰艇上将配备能够打印像SULSA这类无人机的多材料3D打印机,到时候,每一个无人机都将是针对特定任务定制的。另据报道,在英国“星点”工程中有一个名为“无畏舰2050”的项目,其中就提到2050年时,英国战舰的舰体将采用可以变为半透明的丙烯酸材料,以提供全方位的视野,同时舰上还将安装3D打印机,用于制造激光、电磁武器乃至无人机群。

7.其他应用

除了上述一些应用,3D打印技术在船舶领域还有许多其他实际应用,比如新加坡Tru-Marine公司利用3D打印快速维修和制造涡轮增压器部件,鹿特丹将建3D打印中心以快速维修到港船舶,3D打印喷水推进小艇模型(除电子设备和电池以外的所有部分)等。此外,为了提升人们对于3D打印的信心,消除对于3D打印产品质量的疑虑,英国劳氏船级社已于2016年1月7日发布了3D打印全球认证标准。

从这些案例可以看出,3D打印技术的高精度、高自由度、用料省、成型便捷、经济环保等优势对于船舶行业来说有着不小的吸引力,并且已对船舶的设计、建造、运营、维修等各个阶段产生了影响。就目前的3D打印技术而言,其在船舶领域的应用主要包括以下几方面:

1.勤杂工——各种船上小物件和船员个人物品的3D打印,如油盖、泄水孔塞等小部件,餐具、杯具等日常用品,甚至是鞋垫、纽扣、娱乐道具等。这样可减少船上相关物件的贮备量,改善船员的工作条件,提升其工作积极性。

图6:3D打印的喷推小艇模型及喷推部件

2.修理工——通过3D打印替换设备中有问题的零部件,或者直接修补损坏的零部件,船上岸上皆可。这样能够减少维修周期,降低维修成本,同时也更环保,对那些供应链成本特别高的区域来说尤为重要。

3.设计辅助者——利用3D打印的高精度和便捷成型优势,可以提供更快、更精准、更低成本的舰船模型,有利于对设计进行验证和改进,提高设计水平和效率。此外,由于3D打印能制作出非常复杂的结构物,因此过去一些无法实现的设计思路或许也能“重出江湖”。

4.无人机制作者——美国和英国海军均已在探索3D打印无人机的应用,并且已取得一定效果。3D打印无人机安装简便,还可根据任务不同进行定制,不但节省船上空间,而且更灵活多变。并且由于3D打印的无人机成本较低,因此就算成为一种消耗品也能够让人接受。同样的理念也可用于无人艇和无人潜航器。

虽然3D打印技术目前还不成熟,材料的限制、购置成本高昂(金属打印)、无法批量生产以及对产品质量的疑虑等因素将该技术局限在了一个较小的应用范围,但无可否认的是,现在的3D打印技术仅处于起步阶段,还有很大的潜力可以发掘,如材料、成本、打印速度等问题必然可以随着技术发展而得到解决。马士基方面称,现在就对3D打印技术的全面、长期的影响进行预测还为时过早,有许多因素还未知,比如最实际的因素——成本,使用3D打印的成本是否真的比传统的规模生产更有优势?未来,3D打印在船舶相关领域的应用或许会随着技术的进步而越来越广泛,不过这肯定不是短时期内就能实现的,只能说是“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”。