论3D 打印在船舶制造领域的应用

孟令岽

（海装沈阳局驻葫芦岛地区军事代表室，辽宁 葫芦岛 125000）

1 3D 打印简介

3D 打印技术（3D Printing）起源于20 世纪80 年代的快速成形技术（Rapid Prototyping），也被称作增材制造（Addit1ve Manufacturing）。该技术基本原理是通过计算机辅助设计（CAD）等软件形成三维模型，并按照某一坐标轴切成多个剖面，然后，通过与计算机相连的硬件设备，采用熔合焊接、烧结、黏结等手段把打印材料逐层构建起来，快速、精确地制造出任意形状的实体。3D 打印的实际应用领域已经涵盖珠宝、服装、工业设计、土木工程、汽车、航空航天、武器装备制造医疗、教育等行业，被认为是推动新一轮工业革命的重要契机。2020 年2 月12 日，美国普惠公司公布了3D 打印技术在航空发动机领域的工业化应用，采用该技术生产的零部件将首次应用在某型号发动机的维护与维修过程中，展示了该项技术在航空业广阔的发展前景；日本本田公司此前已利用3D 打印技术对座椅安全带支架、车架及发动机控制单元等多类汽车零部件进行了升级优化，该公司研发部门正与某软件公司展开合作，双方共同设计一款曲柄轴部件并采用3D 打印技术制造样品，如能顺利投入应用，该方案将实现相较于现有产品减重30%的目标，丰富车身轻量化技术解决方案。越来越多的成果显示，3D 打印技术在工业，特别是制造业领域的应用将逐渐成为市场上的主流方向之一。

2 3D 打印在船舶制造领域应用现状

在船舶制造领域，3D 打印仍然是一种较为新颖的技术，工业级的应用还不是很广泛。但近五年来，西方国家的一些船厂逐渐聚焦3D 打印技术应用。2017 年，荷兰达门造船集团在位于霍林赫姆的船厂总部举行了一场揭幕仪式（如图1），世界上首个被船级社认可批准使用的3D 打印船用螺旋桨WAAMpeller 揭开了神秘的面纱。据了解，WAAMpeller 由达门集团、螺旋桨制造商Promarin、软件巨头Autodesk 和增材制造实验室RAMLAB 合作研发，直径约1.3 米，材料为镍铝青铜合金。该螺旋桨已被安装到一艘拖船上开展了航行测试并取得成功。该项成果向造船业展示了用于生产船舶部件的3D 打印技术的潜力。美国和西班牙的船厂也在积极开展3D 打印技术在舰船及其配套设备制造过程的应用研究。美国纽波特纽斯造船厂与知名的3D 打印设备供应商3D Systems合作，旨在加快推进3D 打印技术在美国海军舰船上的应用。美国橡树岭国家实验室的制造示范工厂与美海军破坏性技术实验室于2017 年合作研制了首个军用打印3D 潜艇外壳，其设计灵感来源于美国海军海豹突击队的特种运输艇。研发团队仅用不到一个月就制作完成了长达9 米的碳纤维复合材料外壳，并且生产成本相较传统运输艇外壳降低了90%，未来还将设计样机进行测试。西班牙纳万蒂亚船厂正在安达卢西亚地区打造一个能使用3D 打印等最前沿技术的新式造船厂，新船厂于2017 年年底完成了首个涉及增材制造的研发项目，一个模块化设计的3D 打印厕所被成功安装到一艘船上，同期另外一个项目：3D 打印通风格栅，也被安装到了实船上。该船厂已经启动了一个被称为“Adibuque”的研发项目，目的是为加强3D 打印技术在所有船只制造过程中的使用。相比于西方国家，我国对船舶领域3D 打印的研究处于后发位置，但近年来，技术进步明显。据报道，国内某研究所对多种金属增材制造材料特性进行研究，现已开发了低合金钢、钛合金等增材制造工艺，可实现复杂的三维曲面制造；而另一家研究所正利用3D 打印技术生产钛合金叶轮，并试制螺旋桨。

图1 3D 打印船用螺旋桨“WAAMpeller”揭幕仪式

3 3D 打印在船舶制造领域应用潜力

若要探讨3D 打印到底能为船舶制造行业带来怎样的影响，首先，需要了解该技术的优势和劣势，以便更好地做出分析定位。3D 打印的优势在于：其一体化的加工方式可使产品直接成型，可省略部分组装步骤；3D 打印属于增材制造，不会产生大量的边角余料，大幅降低了原材料损耗；加工自由度高，能够加工出形状结构复杂且多样化的产品；由于无须模具制作以及后期加工，3D 打印使得单件产品生产周期大幅缩短。另一方面，该技术还存在一定的不足与局限。例如，3D 打印设备购置成本高，例如，一台桌面级的小型打印机售价就在2 万元人民币左右；目前，可支持3D 打印的材料种类还不是很多，仅有石膏、塑料、无极粉料、光敏树脂、陶瓷及有限的几种金属与合金，且部分材料价格相对于钢铁来说更为昂贵；传统的造船业加工制造方式（如切削、打磨）可以看成“减材制造”，成品的强度、硬度等性能指标往往优于3D 打印技术制造的产品；如果需从事大批量生产，3D 打印的生产效率受材料成本、设备可靠性等因素的制约而大幅度降低，难以与标准化、流水线式的传统生产模式进行比较。

从3D 打印自身优势和劣势对比来看，该项技术在船舶领域还是有着较好的发展前景，发展应用的范围也较大。就近期而言，有以下几个较可行的应用方案：一是利用3D 打印便捷成型的优势，可以提供更快、更精准、更低成本的船舶模型，有助于对设计进行更高效的验证和改进，例如，美国曾利用3D 打印机制造了一款如图2 所示的医院船模型；二是加工船舶使用的某些小型零部件，特别是形状复杂、传统制造需要先保留加工余量再使用车床等设备加工的部件，可大幅节省工时，能够满足应急情况下的维修需求，迅速替换损坏零部件；三是对于某些船型，如快艇、游艇，可采用3D 打印制造外壳和曲面的船体结构，以满足外壳线形光顺、流畅的要求；四是在军用舰船制造领域中，受益于充裕的研发经费和更加宽松的成本控制要求，3D 打印可释放其固有优势，制造出常规材料和生产手段难以加工的零部件和结构。从长远来看，如果未来3D 打印硬件设备发展成熟后，随着设备的加工能力和可靠性增强，采用该技术生产更大尺寸的复杂结构与零部件将成为可能；伴随着材料科学技术取得突破，若某些高分子材料性能能够达到钢铁的水平，那么利用3D 打印打造由复合材料建造的中大型船舶也不再是梦想。虽然短时间内3D 打印并不会改变传统的造船业模式，但随着数字化、智能化工业水平的提高以及3D 打印技术自身发展，3D 打印也许将对船舶制造领域带来一场变革。

图2 使用3D 打印机制造的医院船模型