3D打印技术将长期对传统造船业产生革命性影响

国际金属加工网 2017年07月18日

3D打印技术短时很难在造船业广泛应用,但长期将对传统造船业产生革命性影响。

3D打印技术作为“第三次工业革命的重要标志”,被认为是推动新一轮工业革命的重要契机。随着“智能制造”和“工业4.0”概念的提出,3D 打印技术在船舶制造领域的应用也成为热议话题。

本文运用文献研究法和观察法,以3D打印技术将给制造业带来的冲击为切入点,综合分析3D打印技术和产业发展现状,认为3D打印技术短时很难在造船业广泛应用,但长期将对传统造船业产生革命性影响。

主流的3D打印技术

3D打印技术是快速成形技术的一种,也叫作增材制造。基本原理是通过计算机辅助设计或者扫描等做好3D模型;按照某一坐标轴切成无限多个剖面,然后一层一层打印出来,并按原来的位置堆积到一起,形成一个实体的立体模型。其工艺流程一般分为三步,即三维建模、产品成型和成品后处理。

目前有十几种切实可行的快速成形技术,但几乎所有技术都基于以下三种基本原理。

一是,通过挤压打印喷头来形成铸件或半液体材料。最常见的方法是挤压不断流出的热塑性塑料,这种热塑性塑料在离开打印机喷头的时候迅速凝固成型。目前市场上存在的“熔融沉积成型”、“塑料喷印”、“熔丝建模”、“熔丝制造”或“熔融沉积法”都是属于这种原理的产物,只是因为知识产权问题而叫法不同。

二是,通过使一种不常见的被称作“感光性树脂”的液体变成固体从而形成物理层。这种液体暴露于激光或其他光源中时会变硬,如“光固化快速成型工艺”、“感光性树脂喷射”、“多喷头建模”和“喷墨感光性树脂”。

三是,通过逐层粘合一种不常见的精细粉末来制作模型。这种“颗粒状材料的粘合”既可以通过喷射液体胶水或粘合每一粉末层达到,又可以通过激光或其他热源来熔化粉末颗粒来形成。如“粘合剂喷射技术”、“选择性激光烧结技术”、“定向能量沉积技术”和“电子束熔炼技术”。

另外还有“分层实体制造技术”,是通过使用激光切割器将纸张、塑料或金属箔粘合在一起,再利用供给设备把材料推到制作平台上,用辊(通常是加热的)在薄板上碾压,最后位于上方的激光在薄板上切割出物体层轮廓,然后降低制作平台。此过程不断重复,直至打印完成整个物体。然而提供此技术的企业已经停业,而且其他几家生产此技术打印机的制造商也陆续离开3D打印市场,因此该技术被认为已经消亡。

3D打印技术现状

3D 打印技术的应用可分为工业级和消费级两种。1986年,美国 3D Systems成立,两年后推出了第一款工业化的“3D打印”设备——SLA-250,短短几年形成了巨大的市场。3D打印设备用户由原来为自己的产品开发服务的大企业和科研机构,迅速拓展至中小企业甚至是3D打印的个人爱好者。目前,全球有两家3D打印机制造巨头——3D Systems 和Stratasys,均为美国上市企业。作为工业级 3D打印领域的领军企业,两家企业拓展下游领域、加强软件与解决方案投入以及行业整合,产品范围小到生物血管,大到飞机钛合金主承力构件。随着3D打印技术的发展,目前全世界已有越来越多的厂商进入3D打印领域,如德国的Voxeljet和美国的ExOne等中小型3D打印制造商。3D打印技术的应用也从最初的科研研究延展到医学、服装、建筑、加点、机械制造和工业造型等领域。

随着全球3D打印技术的成熟, 3D打印市场步入高增长。Canalys预计到 2018年3D打印机的市场销售额可达到 162亿美元(包括打印机、材料和相关服务),呈现 40%~50%的年均高速增长率。Juniper Research预计中国 3D打印机和相关的材料市场规模将从目前的 7500万美元增加至 2018年的 12亿美元,呈现爆发式增长,至 2018年占全球市场的份额增长至 7.4%(见表1)。

3D打印技术与传统技术

相对于传统的材料去除,也就是切削加工技术,3D打印技术的优势是不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序,即可快速精密地造出形状复杂的零件,从而大幅缩短加工工期。因此,所制产品结构越复杂,其优势就越明显。

3D打印技术在具备众多优势的同时,也存在不少局限性(见表2)。

3D打印技术在造船上的应用

目前,3D打印技术在船舶制造行业还无法得到广泛应用,这是由3D打印技术的优势不能在船舶制造行业充分发挥决定的。

尺寸受限

由于3D打印机是一种包容性的打印设备,产品通常要比打印机小。而船舶制造业的结构尺寸比目前3D打印尺寸要大很多,使得3D打印很难打印出合适的造船上需要的结构。

材料昂贵

目前,合适3D打印的材料有塑料、陶瓷、合金多种,但相对于传统造船上大量使用的材料——钢材来说还是贵很多。即使使用在现有3D打印中相对较便宜的热塑性塑料相比于传统造船业的钢材仍然贵很多,且船舶制造并没有太多部件适合热塑性塑料。

时效性优势无法发挥

虽然3D打印无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,能极大地缩短产品的研制周期。传统的造船业及配套业,通过标准化、规模化的流水线生产方式提高生产效率。目前3D打印技术更多用来打印尺寸小、结构较为简单的零件,不能用来打印复杂的系统。

精度不高,质量不稳

由于3D打印是一项新技术,目前的精度范围在0.01毫米,远低于传统船舶制造利用“减材制造”所能达到的。另外,通过切割实现机械产品的强度、硬度都远远高于3D打印出的产品。

结束语

具有前沿性、先导性的3D打印技术能否在传统制造领域得到广泛应用,取决于两方面的进步:一是3D打印技术的发展,出现成熟稳定的3D打印技术直接可以打印大尺寸、复杂构件;二是传统的船舶为钢质海船,随着材料技术的发展,如有可替代钢质材料的经济、可靠的高分子合成材料,那么用3D打印高分子合成材料海船或将成为现实。

目前造船工业的发展主要是靠要素的投入,如大船坞、大厂房的投入来提高产能。目前,国家在推动传统制造业升级,造船业也在积极推动数字化造船,如计算机管理、三维建模。随着数字化的发展、智能化的提高,3D打印技术的发展和材料技术的革命性发展,3D打印技术终将对传统造船业产生革命性的影响。


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