CCS釜山分社 周立偉

3D打印又稱增材制造，是一種快速成形技術，其使用激光束熔化原料（目前主要有塑料和金屬）并通過逐層堆塑來最終形成成品，可快速生產結構復雜的產品或部件。與采用切削或鉆孔（即減材工藝）方式的傳統(tǒng)機械加工技術不同，它以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積即“積層制造”方式來直接構造物體。

3D打印技術被“經濟學家”雜志譽為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術，現(xiàn)產業(yè)價值約為40億美元，并以60%的年增速發(fā)展，已經在醫(yī)學、汽車、航空和航天工業(yè)領域得到應用和推廣，主要用于成品和部分精密零部件的制造，預計整個行業(yè)到2020年將實現(xiàn)210億美元的產值。

3D打印一般由三維設計、3D打印和表面處理三個關鍵過程組成。

三維模型的分區(qū)

三維設計是通過計算機輔助設計(CAD）或計算機動畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，從而指導打印機逐層打印。設計軟件和打印機之間協(xié)作的標準文件格式是STL文件格式，一個STL文件使用三角面來大致模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。如果對現(xiàn)有產品進行復制，則可以使用PLY等掃描器，對物品掃描來生成VRML或者WRL格式的三維文件作為全彩打印的輸入文件。

打印過程是通過打印機讀取STL文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。打印機打出的截面厚度（即Z方向）以及平面方向（即X-Y方向）的分辨率是以dpi（每英寸像素數(shù)）或者以微米來計算，一般Z方向厚度為100微米（即0．1毫米），部分高精度打印機甚至可以打印16微米厚度；而X-Y平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”直徑通常為50到100個微米。用傳統(tǒng)方法需數(shù)小時到數(shù)天制造出的模型，根據(jù)打印機性能以及模型尺寸和復雜程度，用3D打印可縮短為一到幾個小時。

表面處理是為了獲得更高分辨率的物品表面，先用當前3D打印機打出稍大一點的物體，再經過表面打磨從而得到表面更加光滑的“高分辨率”物品。應當注意目前的3D打印機分辨率對大多數(shù)應用來說已經完全足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），從而不必再進行表面處理。

傳統(tǒng)的制造技術如注塑法可以較低的成本大量制造聚合物產品，而3D打印技術則可以以更快速、更有彈性和更低成本的辦法生產數(shù)量相對較少的產品。一個桌面尺寸的3D打印機就可以滿足設計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。3D打印以往常常被用于制造模型和模具，但隨著3D打印機和“墨水”制造技術的成熟，3D打印正被用于一些產品的直接制造，特別是高價值產品（如人體關節(jié)和重要設備零部件等）。

目前3D打印技術在航運業(yè)已經有了成功的應用。例如通用電氣公司使用3D打印技術制造的燃油噴嘴，不僅在強度上是傳統(tǒng)技術制造產品的5倍，而且重量減輕了25%；到2020年該公司計劃將整個燃油直噴發(fā)動機30%的零部件通過3D打印技術制造。

據(jù)悉馬士基油輪已經對3D技術在航運業(yè)的應用前景進行了研究，發(fā)現(xiàn)3D打印技術首先可以用來解決整個航運業(yè)所面臨的零部件供應鏈頑疾，如果船員可以在船上直接打印出他們急需的零部件，將有效縮短交貨時間，并且將顯著減少備件倉儲、貨品包裝、空運/陸運、報關通關以及租船靠泊上貨等環(huán)節(jié)的成本，同時原先在部分基礎設施較差的區(qū)域無法提供備品備件的困難也將迎刃而解。其次，3D打印還對航運業(yè)未來的可持續(xù)發(fā)展大有益處，因為傳統(tǒng)的消減制造過程中每次鉆孔、每次切削都在浪費原材料和金錢，而使用3D增量打印技術，不僅可以靈活地制造出那些具有獨特結構形式的產品或零部件，而且還可以實現(xiàn)原材料和金錢的“零浪費”。

與一臺單價2．5萬美元的塑料材質打印機相比，雖然目前一臺金屬材質3D打印機的價格高達100萬美元，但隨其在工業(yè)界的不斷推廣和技術的進步，有理由相信價格將快速下降到中高端應用級水平（但不要期望其可以替代常規(guī)生產），那么3D打印技術將會對航運和相關制造業(yè)帶來哪些變化和挑戰(zhàn)呢？

一是金屬“墨水”產業(yè)將迎來大發(fā)展，這也是新材料工業(yè)未來的一個重點發(fā)展領域。船用設備零部件不僅形狀上千奇百態(tài)，更重要的是其物理特性，如硬度、強度、耐磨性、耐壓性、高溫塑性等更是變化無窮。從現(xiàn)實可能性和經濟性來看，我們不可能期望同時供應和在船上或集中供應站存儲成千上萬種的“金屬墨水”，未來的思路可能是一種“雞尾酒”技術，類似于利用三原色不同比例調和可產生各種顏色一樣，科學家需要找出滿足最基本“原性能”的“墨水”，根據(jù)廠家提供的“秘方”進行調和，然后直接注入3D打印機進行打印制造。

二是重要零部件將從“實物”供應變?yōu)椤皵?shù)字虛擬”供應。生產商家和零部件服務商將從目前的全部實物供應，轉變?yōu)橐讚p易壞零部件的數(shù)字虛擬供應，也就是向需求方發(fā)送一個包括三維零部件形狀數(shù)據(jù)和材質“秘方”的數(shù)據(jù)包，然后直接打印制造和安裝使用。我們預測3D可打印的零部件種類和數(shù)量將逐漸增加，但受“墨水”材質種類研發(fā)的供應限制，將主要以一些材質和性能要求比較單一的零部件為主。

三是知識產權保護和分享將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。常規(guī)通用型零部件以外的特種設備及重要零部件，在實現(xiàn)3D打印之后，其知識產權保護將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。一種新型的基于付費之后的知識產權臨時授權模式必將營運而生，也就是任何人都可能得到形狀和材質秘方數(shù)據(jù)包，但是如果不付費，供應商將不會向3D打印機發(fā)出具有一定“時效”的臨時性授權指令，該打印機沒有授權或授權過期，將不能執(zhí)行打印操作，從而實現(xiàn)知識產權和供應商利益的保護。

四是產品質量檢驗模式將被迫轉變和創(chuàng)新?，F(xiàn)有的零部件產品檢驗模式是由檢驗機構對產品執(zhí)行必要的實驗和現(xiàn)場檢驗，當其滿足要求后，由檢驗機構簽發(fā)證書以證明其質量滿足預定使用質量標準。而3D打印制造出現(xiàn)之后，特別是直接在航行于海中的船舶上打印制造時，驗船師無法到現(xiàn)場驗證和檢驗。所以檢驗控制模式可能要分解為3D打印機質量的認證、打印材質即“墨水”質量的認證和產品數(shù)字模型及配方的認證。

五是零部件供應和服務模式將迎來新模式。受區(qū)域和成本的限制，無法建立全球服務網絡一直是設備生產廠商感到頭疼的問題，特別對處于發(fā)展初期的中小型設備生產商相對于知名老牌生產商是一個明顯的競爭劣勢，而3D打印技術的出現(xiàn)將為逐步解決這個問題帶來曙光。與此同時現(xiàn)有龐大的分布于全球各港口的設備供應代理商將面臨逐步邊緣化的挑戰(zhàn)，部分依然采用現(xiàn)有商業(yè)模式的代理商將被迫關張。

因此，3D打印技術將進一步促進“分散制造”的優(yōu)化，同時提高現(xiàn)有分散制造的個性化定制水平及服務響應速度，進而影響船用產品配套及相關行業(yè)的格局，并促進世界航運的發(fā)展。