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3D打印技术在船舶制造中的应用

更新日期:2017-06-12 人气:

3D打印技术在船舶制造中的应用

美国海军人士称,掌握增材制造技术将是海军的优势之一,如果能在船的航行状态下使用3D打印技术,将是一件里程碑式的事件。

增材制造技术是20世纪80年代末期由美国科学家发明的一种实体零件制造技术,是一种采用CAD设计数据使材料逐层累加的加工制造方法。20多年来,增材制造技术发展迅速,根据其技术特点的不同又被称为“3D打印”、“实体自由制造”、“快速原型”、“分层制造”及“材料累加制造”等,其中“3D打印”是应用最广的一种叫法。

源于美国材料与试验协会的定义,增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程,是一种逐层累加的加工过程;3D打印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术,3D打印也常用来表示增材制造技术。增材制造技术有别于传统的切削加工方式,是利用三维设计数据在一台设备上快速成型的加工方法,解决了许多结构复杂的零件成型问题,并有效缩短了加工周期。到目前为止,增材制造技术已成功应用于食品、艺术品、时装、航空航天、汽车、医疗、建筑及教育等行业,被美国《时代》周刊列为“美国十大增长最快的工业”,英国《经济学人》则将其推崇为“第三次工业革命”。由此可见增材制造技术的优势与发展前景。

1.增材制造技术的发展

增材制造技术如果从1986年美国科学家开发的第一台商业3D印刷机开始算起的话,到2016年为止整整30年了,在此期间,市场上首个高清晰彩色3D打印机于2005年问世,到2014年,世界上已有3D打印建筑投入使用、3D打印汽车横穿美国、3D打印火箭发动机通过测试……,增材制造技术(3D打印)的发展速度令人惊叹。

在政策方面,许多国家将增材制造技术列为国家战略技术发展的重要方向,例如美国早在2012年就将增材制造技术列为国家制造业的首要战略任务,我国也在2015年8月由李克强总理组织召开国务院座谈会,专门讨论3D打印技术的发展与振兴中国制造业的关系,将发展增材制造技术推向了前所未有的高度。

科学家们相信,在许许多多科研机构的努力下和相关政策的支持下,增材制造技术将会有广阔的发展空间。

2.增材制造技术在船舶制造业的应用现状

增材制造是一门新兴的科学技术,虽然近几年来在众多领域取得了突破性进展,但是在各个行业还未见商业化广泛推广,离走进寻常百姓家还有很长的路要走,在船舶领域也不例外,近期也有学者撰文说增材制造技术短期内在船舶制造业中很难广泛应用。尽管如此,增材制造的技术优势和经济性还是吸引了国内外不少公司和科学家都在尝试将该技术应用到船舶领域,并也取得了初步成果。

(1)船舶备件供应领域。对于船舶来说,尤其是远洋油轮和远海航行或作战的军船,设备故障的修理是很常见的事情,为了应付一些突发情况所需的零部件,要么随船带足事先预想的各种可能需要的零件;要么想办法靠岸修理,这两种选择无论哪种都会带来较高的修理成本和风险。将3D打印技术应用到船舶备件的供应链中,不失为一种很好的解决方法。

在民船方面,马士基油轮公司率先将这一设想在实践中进行尝试,虽然到现在为止未见成功案例的报道,但是可以预见的是一旦将3D打印技术应用成功的话,将会取得莫大的经济效益和社会效益。据马士基公司称,由于油船是被禁止进入港口主要区域的,所以传统的修船方法是首先确定油轮上所需更换的零部件,然后通知公司将零件运往船舶经过的下一个港口,最后租一艘小艇将零件送到船上,还得加上仓储、包装及清关等运营成本,更换一个零件的总费用就高达5 000美元。如果采用3D打印技术,只需在船上配备一台打印机和一些打印材料,用时将零件打印出来就可以了。采用3D打印技术不但可以缩短零件的交付周期、节约成本,还可以减少因能源的消耗而产生的环保问题。

英军舰试飞3D打印无人机

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3D打印钛合金零件

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除此之外,早在2014年美国海军就提出了“打印舰艇”的概念,将增材制造及3D打印技术应用到零部件的供应链中。美国海军人士称,掌握增材制造技术将是海军的优势之一,如果能在船的航行状态下使用3D打印技术,将是一件里程碑式的事件,必将大量减少备品备件的携带量,增加武器、燃料及补给的携带量,从而显著提高海军的远洋作战能力。

(2)3D打印船模。美国卡德洛克海军水面作战中心采用3D打印技术成功打印出美军医疗船模型,用于测试船上风力气流的情况,该中心科学家称3D打印可以提供更快、更精准及更低成本的舰船模型。如果将该技术推广应用,在相同和相似领域必将产生深远的影响。

(3)3D打印螺旋桨。2016年初,国外两位发烧友尝试采用3D打印技术制造螺旋桨,他们同时选用了4种材料进行对比,取得了丰富的试验数据。

(4)3D打印无人机。英国早在五年前就应用3D打印技术打印了世界上第一台无人机SULSA。经过多次改进后,于2015年进行海上试飞试验,尽管它只能飞行40min,但其低廉的成本和完成任务的表现,足以使人们产生浓厚的兴趣和继续研究的决心。2016年SULSA正式服役,为英国皇家海军破冰船的南极之旅侦查路线。

美国海军研究学院启动3D打印无人机项目,该项目将现代通信技术和装备技术完美结合,为海军执行不同任务时打印出相应的无人机,2015年12月打印出一架反恐无人机,可搭载反恐所需的通信设备。与英国不同的是,美国的3D打印无人机是在船上完成的,将3D打印技术又向前推进了一大步。

(5)其他方面。增材制造除以上应用外,还在发动机铸造模具、涡轮增压部件及小艇模型等得到应用,增材制造(3D打印)技术正在船舶领域的各个方面大显身手。2016年1月7日,劳氏船级社颁布3D打印全球认证标准,旨在指导规范增材制造技术的推广应用。

3.增材制造技术在船舶领域广泛应用的技术瓶颈

目前,增材制造3D打印技术在船舶行业的应用相对于整个造船领域来说只是冰山一角,远未达到广泛应用的程度,究其原因增材制造技术还是一门新兴的科学技术,还有很多技术瓶颈未能突破,比如以下几个方面:

(1)增材制造材料的相对匮乏。传统造船业所使用的材料主要为金属材料,金属材料的发展已有几千年的历史了,在这漫长的历史长河中金属材料的种类多种多样,性能各异,制造工艺也日益成熟,可以满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,制造的产品也远不能满足使用要求。因此,原材料的种类性能不能有大的进展,将直接影响增材制造技术的推广使用。

(2)测试与评价技术的相对滞后。传统工业在发展过程中,形成了一整套成熟的测试、评判、失效分析、安全评价和寿命评估技术,为产品的安全使用保驾护航,从而减少生命与经济的损失。增材制造技术的发展仅有30年的历史,科学家们所关注的重点大多集中在工艺与产品的研发上,而对测试与评价技术却鲜有报道。由于增材制造技术是一门相对于传统技术完全不同的加工制造方法,所以其测试与评价技术也必将不同。在世界各国造船系统中都有严格的检测与验收标准,增材制造技术在没有形成成熟的测试与评价标准之前,是很难让人接受的。

(3)知识结构的需求。增材制造技术的应用对劳动者提出了更高的要求,需要掌握机械设计、软件编程、动力学及电气工程等各个门类的知识,复合型人才的培养必将影响教育系统的改革,是一个漫长的过程。

(4)其他方面。劳动对象和劳动习惯的改变必将影响人类的生存习惯,增材制造技术的发展将是一个长期的过程。

4.增材制造技术应用展望

增材制造技术虽然是刚刚发展起来的一门新技术,但其发展日新月异,科技工作者们一致认为增材制造技术必将广泛应用于船舶制造业,对造船业产生深远的影响。

5.结语

我国是一个造船大国,但并不是造船强国,目前的船舶制造业是一个劳动密集型产业,较适合我国人口红利时期的发展。随着世界现代科技与军事技术的发展,我国必将完成由造船大国向造船强国的蜕变。增材制造技术在船舶领域的应用有可能对造船业产生革命性的影响,占领增材制造技术的制高点,必将推动我国造船业的快速发展,成为世界造船强国。

作者: 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 李雪峰 夏申琳 杨晓  来源: 《世界制造技术与装备市场》2017年第2期

 

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