3D打印“造船”技术市场前景看好

国际金属加工网 2017年06月21日

在国家大力推动3D打印技术的背景下,该技术的发展会给船舶工业带来什么?船舶3D打印之路还有多远?

我国对3D打印技术应用从来没像今天这样重视:2015年11月2日,李克强总理访问韩国时专门参观了韩国的物联网技术实验室、移动设备技术实验室和3D打印实验室;同年8月份,李克强在国务院先进制造与3D打印专题讲座上强调,加快3D打印、高档数控机床工业机器人等新技术新装备的运用和制造;近日,我国首个国家3D打印工程实验室成立……

技术神奇令人惊叹

要想知道3D打印对船舶业的影响,首先要了解3D打印技术。

3D打印是增材制造的俗称,它始于20世纪80年代的快速成型技术,不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,利用三维设计数据在一台设备上就可以快速而准确地制造出任意复杂形状的零件。

称之为3D打印,是由于其与打印机工作原理基本相同,只是打印材料有些不同。3D打印使用的是金属、陶瓷、塑料、砂等实实在在的原材料,打印机与电脑连接后,通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。

多数专家认为,3D打印完全不同于传统制造方式的技术,将解决以前许多难以解决的制造难题,如果在医疗、艺术、生活等领域得到广泛应用,能给人们生活带来深远影响,同时,其将在一定程度上改变以福特制装配生产线为代表的大规模批量生产方式,给制造产业带来重大影响。

国防科技工业科技成果推广转化研究中心高级工程师吕德龙认为,作为制造业的组成部分,船舶工业将不可避免地受到3D打印技术的重大影响。首先,该技术将加快船舶工业新产品开发速度,降低开发成本。由于成型的便利,利用该技术可以更好地验证和改进设计参数和思路,提高设计水平和效率。比如,设计一个新的零部件时,设计人员可以同时拿出10种方案,并通过3D打印快速验证其合理性。即使是较大的船体设计也可以通过缩小比例的方式快速制作模型,这将极大地激发设计人员的积极性,降低产品研发成本。

其次,能使配套产品生产更加经济快捷。由于船舶配套产品批量小,不少属于定制性产品,3D打印可以随时调整参数,更低成本地进行小批量甚至单件产品的生产。同时,该技术可给配套产品的维修服务带来极大便利。在舰船上,一些零部件需要更换时,只需将其原理图发送到最近的3D打印机上,然后将必要的耗材放入3D打印机中即可制造出来。

再次,其能够生产传统加工方法难以制造的产品,并且精度和光顺度更高。传统的制造方法是削除法,要通过多维加工将毛坯上不需要的地方切掉,一些复杂的产品及外板等用这种方法加工起来十分困难。利用三维设计和3D打印技术则可在一台设备上快速而准确地制造出任意复杂形状的零件,解决了许多过去难以制造的复杂结构零件的成形问题,并且加工精度的提高使产品的性能更好。

此外,3D打印的产品后期加工量少,可节省材料、减少库存,而且可以减少数据的传输和零部件供应商,有利于企业特别是军工企业做好保密工作。有些人甚至认为,对一些小型船体,通过3D打印可以直接成型。

凭借计算机自动控制、无模具、无工装等特点,3D打印这一“逐层增加材料”的数字制造技术充分体现出其变革性。来自中国船舶重工集团公司经济研究中心的曹林指出,在具体的制造过程中,这一技术相对于传统制造技术,优势尽显。从制造周期来讲,3D打印省去了传统模具制作过程,使得制作周期大大缩短,一般几个小时,甚至几十分钟,就可以完成一个模型的打印。从使用材料来看,3D打印系统可以实现不同材料的打印,来满足不同领域的需要。例如,金属、石料、高分子材料都可以应用于3D打印。与此同时,传统金属加工过程中有大量金属原材料被丢弃,而3D打印过程中金属的浪费量明显减少。市场前景值得期待正因为看中了3D打印技术的神奇之处,航运界的“大佬”马士基便来个先行先试。

日前,全球最大的集运公司马士基宣布,该公司计划采用3D打印机来制造集装箱船上的部分船舶备件。作为目前拥有超过500艘集装箱船用于全球海运贸易的集运公司,该公司称将在旗下集装箱船上安装3D打印机。虽然这些打印机目前只能采用ABS热塑性塑料打印,但马士基表示,该公司正在调查采用金属粉末激光烧结打印的可能性及未来利用率。

由于集装箱船在航行期间内,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。马士基的采购部门经理Martha Josefine Rehnberg表示,该公司将蓝图发到即将登船的船员手中,然后采用3D打印在几小时内获得相应部件。工程师可以在地面上收到船员信号后发出部件图,让船员在几个小时内完成3D打印并将相应部件安装在船上。

对此,韩国也不甘落后。2015年7月15日,世界最大的造船企业现代重工宣布,该公司在韩国蔚山设立一个创新中心——蔚山创造经济革新中心。该中心将担负多重任务。首先,它会被用来提升现代重工的技术力量。其次它将作为一个枢纽,孵化3D打印以及自动医疗服务行业相关的初创企业。现代重工希望通过3D打印多个船舶构件,在生产过程中节省时间和金钱,以推动该行业进步。

该公司在该中心项目中还将与韩国其他两大造船企业——三星重工、大宇造船&海洋工程(DSME)——共同携手。这三家公司将提供2500项专利与该中心的创业公司分享,使这些团队能够在此基础上开发出新的项目和产品,以更好地适用于这三家专利持有者。

这三家大型造船企业将与蔚山大学的工程学生,以及各种创业公司,将共同围绕着新技术,如3D打印,展开研究,其目标是到今年年底在该中心实现本地化生产15种主要船舶配件,而到2018年实现多达165种不同的船舶部件的本地化。现代重工预计,通过制造业的本地化,每年可为韩国造船业节约20亿美元左右的成本。

在3D打印领域,中国是个后来者,但近年来技术进步迅速,大有后来居上之势。据新华社报道,中船重工第705研究所历经一年时间的研制,该所在3D打印机技术领域取得重大突破,借助直接金属激光烧结快速成型技术实现了3D打印,成为继美国、德国的3D打印巨头之后,世界上第四家掌握该技术的企业。

直接金属激光烧结成型技术是3D打印技术领域王冠上的明珠。该技术因为直接用高能量的激光熔融金属粉末沉积,同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠,以生成致密的几何形状的实体零件。而金属本身是致密体重熔,不易产生粉末冶金那样的成形时的空穴,结构件致密度可达99%以上,接近锻造的材料胚体。

有业内人士甚至设想出这样的景象:随着3D打印技术的持续发展,计算机或许有一天可以建立一个船舶3D计算机辅助设计图像数据库,从螺母到螺栓,直至复杂的发动机零部件, 3D打印机都可以打印出一个合适的、按照具体规格制作的替代品。未来之路还有多远设想是美好的,然而现实中还有不少难以逾越的障碍。目前从材料以及技术原理来看,3D打印广泛应用于造船与配套业的可能性还有待提高。其主要瓶颈主要集中在材料、规模及成本方面。

以马士基运用3D技术打印集装箱船配件为例,并非想象的那么美好。

江南造船集团总工程师胡可一就此在媒体上发表了自己的看法,他说,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始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,经济实惠?第四,后续的保修服务如何进行?原始生产厂商是否愿意延续?

胡可一认为,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还有比较长的路要走。

对此,业内专家看法是比较一致的,来自中国船舶重工集团公司经济研究中心的曹林指出:“3D打印技术还处于初级发展阶段,并不是‘万能神器’。”他建议,当前对于已经成功应用3D打印技术制造的模型和产品,可在船舶工业中大力推广应用。尤其是在研发设计阶段,3D打印能够与传统制造技术形成优势互补。

随着技术的发展,3D打印在现有基础上也有望发挥更大的作用,从而真正与传统制造技术在各自的“势力范围”内显身手。曹林表示,从中期看,一批船用复杂结构零件、特种零件、合金构件、复合材料构件的3D打印制造及修复技术有望实现突破,并最终朝大型化、轻量化方向发展。

当然,这样的变化不是一朝一夕就能实现的,而是需要集结各方力量予以推动。曹林认为,3D打印涉及从基础科学、工程化应用到产业化的各个层次,因此需要整合国内产、学、研相关资源,发挥各自优势,促进3D打印在船舶工业的体系化发展。

针对目前的技术发展水平,曹林提出了具体建议:由于3D打印的前提是有三维模型可供打印,但目前船舶工业的产品设计仍然以二维设计为主,因此要实现3D打印,需要进一步提升产品三维数字化设计能力和水平;应加强基础科学研究,了解各种材料的局限性和优点,并结合企业需求,掌握3D打印材料和现有材料在性能、成本等方面的互换性;立足现有技术,引进可用于船舶工业的成熟3D打印技术及相关工艺,并有针对性地开展可行性研究,条件成熟后可逐步开展工艺验证和样件试制;积极开展原材料以及打印设备方面的标准研究。“从长期看,3D打印技术有望引领未来船舶工业的发展方向,推动现有船舶工业体系的变革。”曹林这样认为。延伸阅读 3D打印机的由来。

3D打印机(3D Printers)简称(3DP)是一位名为恩里科·迪尼(Enrico Dini)的发明家设计的一种神奇的打印机,它不仅可以“打印”一幢完整的建筑,甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。

房子、器官、汽车、衣服、机器人……你能想象这些东西都可以打印出来吗?3D打印的概念起源于19世纪末的美国,近几年逐渐大热,中国物联网校企联盟称它为“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。此前,部件设计完全依赖于生产工艺能否实现,而3D打印机的出现,将颠覆这一生产思路,任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。

3D打印思想起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广。3D打印是科技融合体模型中最新的高“维度”的体现之一。19世纪末,美国研究出了的照相雕塑和地貌成形技术,随后产生了打印技术的3D打印核心制造思想。

20世纪80年代以前,三维打印机数量很少,大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件,然后根据塑料模型去订制真正市面上买到的零部件。

到20世纪80年代后期,美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机,并已将其成功推向市场,3D打印技术发展成熟并被广泛应用。普通打印机能打印一些报告等平面纸张资料。而这种最新发明的打印机,它不仅使立体物品的造价降低,且激发了人们的想象力。未来3D打印机的应用将会更加广泛。

1995年,麻省理工创造了“三维打印”一词,当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案,变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案,而不是把墨水挤压在纸张上的方案。

2003年以来三维打印机的销售逐渐扩大,价格也开始下降。编后前几年曾经流行过一句非主流语录:理想很丰满,现实很骨感。意思是,理想总是很美好的,但现实往往有很大差别。这个语录用在船舶3D打印发展历程上,虽不能说是恰如其分,但也是比较贴切的。因为理想中船舶3D打印,与现实的确有比较大的差距。

近一年来,3D打印在国内日渐升温,成为人们关注的热点。按专家的说法,只需要在电脑中将产品模型设计好,通过相连的3D打印机,就可以打印出需要的物品来,国外已经通过3D打印机打印出枪支、自行车、汽车等。目前这一技术已经运用到更多的行业。然而,船舶配套产品与其他产品有着明显不同,其产品构成更加精密复杂。况且,这一技术还处于发展的初级阶段,应用范围有限,即便技术成熟,它也不是“孙悟空的金箍棒”,想变什么就变什么,因此,不宜盲目追捧;另一方面,也要看到3D打印可能给制造业带来的巨大影响,加强跟踪、研究和应用,才能更好地利用这项技术,让船舶工业搭上新技术的快车,不断前行。


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