本刊記者 劉 蕭

3D打印船舶螺旋槳的標(biāo)志性意義

本刊記者 劉 蕭

在不久之前舉辦的2017德國(guó)漢諾威工業(yè)展上，來(lái)自荷蘭的RAMLAB實(shí)驗(yàn)室向海事界展示了其與軟件巨頭Autodesk合作利用增減材復(fù)合加工技術(shù)制造的船舶螺旋槳。不僅如此，兩家公司還向外界透露，今夏將對(duì)螺旋槳進(jìn)行包括系柱拉力和碰撞測(cè)試等全面試驗(yàn)，目標(biāo)是打造出世界上第一個(gè)通過(guò)船級(jí)社認(rèn)證的3D打印船用螺旋槳。如此具體且清晰的計(jì)劃，似乎也正向人們透露出3D打印即將融入船舶制造業(yè)的訊號(hào)。

挑戰(zhàn)原有模式

3D打印技術(shù)對(duì)于船舶行業(yè)其實(shí)已經(jīng)并不陌生。軍船方面，早在2014年4月，美國(guó)海軍就在“Essex”

號(hào)兩棲攻擊艦上安裝了1臺(tái)3D打印機(jī)。起初這一設(shè)備只被用于方便艦員打印一些需要的零部件。而如今美國(guó)海軍則將其用途“升級(jí)”，嘗試進(jìn)行3D打印無(wú)人機(jī)項(xiàng)目，用于測(cè)試那些定制無(wú)人機(jī)執(zhí)行特殊任務(wù)時(shí)的效果。民船方面，2014年，馬士基也積極推動(dòng)旗下油輪公司率先“試水”，計(jì)劃將3D打印的設(shè)想在實(shí)踐中進(jìn)行嘗試。盡管當(dāng)前這些3D打印耗材大多還拘泥于PLA(生物降解塑料聚乳酸)、ABS樹脂、橡膠、石膏、塑料、可黏結(jié)的粉末顆粒等方面，距離業(yè)內(nèi)期待的金屬增材制造技術(shù)目標(biāo)還有距離，但業(yè)內(nèi)對(duì)這一技術(shù)的熱情卻從未減少。

至于為何，記者在采訪中得知，迫于解決遠(yuǎn)洋船舶在航行期間零件受損后短期內(nèi)較難獲得廉價(jià)、便捷的更換服務(wù)或是原因之一。一位輪機(jī)長(zhǎng)也向記者談對(duì)該問(wèn)題的看法。首先，對(duì)于遠(yuǎn)洋船舶而言，各個(gè)部件的壽命、使用頻率和強(qiáng)度不盡相同，同時(shí)船員隊(duì)伍有時(shí)也相對(duì)不固定，此類隨機(jī)因素不免導(dǎo)致備件耗用情況難以事先預(yù)知。其次，有的船公司船舶機(jī)型比較多，又增加了船舶備件管理的復(fù)雜性，導(dǎo)致了有時(shí)備件配備不足的現(xiàn)象，造成船舶維護(hù)保養(yǎng)難以正常進(jìn)行，輕則耽誤船期，給公司造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，重則影響船舶安全航行。而運(yùn)用3D打印技術(shù)解決這些問(wèn)題卻很“對(duì)癥”?？焖俅蛴〕龅南鄳?yīng)備件，一方面可以解決受損的船舶設(shè)備故障，另一方面，3D打印技術(shù)在實(shí)船上應(yīng)用，也可以進(jìn)一步減少航運(yùn)企業(yè)船舶備件的種類和數(shù)量，整體來(lái)看具有一定的可行性。

除此以外，采訪中也有不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，如果未來(lái)3D打印技術(shù)能夠成熟到在船上直接打印出急需的零部件，那么也將有效縮短備件交貨時(shí)間，并顯著減少備件倉(cāng)儲(chǔ)、貨品包裝、空運(yùn)（陸運(yùn)）、報(bào)關(guān)通關(guān)以及租船靠泊上貨等環(huán)節(jié)的成本。同時(shí)，技術(shù)的應(yīng)用也將倒逼現(xiàn)有的分布于全球各港口的設(shè)備供應(yīng)代理商面對(duì)邊緣化挑戰(zhàn)，為現(xiàn)有的船舶配套生產(chǎn)供應(yīng)服務(wù)模式帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

對(duì)于馬士基決定在旗下一艘油船上安裝3D打印機(jī)的做法，業(yè)內(nèi)人士分析認(rèn)為，按照傳統(tǒng)方法，油船首先要確定受損部件并報(bào)告公司，公司要將準(zhǔn)備好的部件運(yùn)往油船下一個(gè)要經(jīng)過(guò)的港口，最后租一艘小艇將所需要的部件送到船上。之所以需要租用小艇，是鑒于油船貨物具備危險(xiǎn)性，一般會(huì)被禁止進(jìn)入港口主要區(qū)域。不僅如此,油船不能按時(shí)到港也時(shí)有發(fā)生，這也使得部件的運(yùn)送工作變得更復(fù)雜。最后僅將某一零件運(yùn)送至船上就需要倉(cāng)庫(kù)貯存、包裝、空運(yùn)至港口、清關(guān)，以及租用小艇等一系列高達(dá)5000美元的成本。解決繁瑣、高成本且缺乏“穩(wěn)定”的船舶配套供應(yīng)服務(wù)模式，恰恰也給3D打印的未來(lái)發(fā)展指明了方向。

金屬增材技術(shù)踏夢(mèng)而來(lái)

今年德國(guó)漢諾威工業(yè)展上，一臺(tái)3D打印船舶螺旋槳贏得了業(yè)內(nèi)的聚焦。究其原因，這與金屬增材技術(shù)“走進(jìn)”現(xiàn)實(shí)船舶制造業(yè)息息相關(guān)。據(jù)介紹，以前由于金屬增材制造合金材料種類偏少，合金的力學(xué)性能難以完全滿足船舶或海工的需求，所以一直以來(lái)難以得到廣泛應(yīng)用。采訪過(guò)程中，該論點(diǎn)也得到了相關(guān)佐證。記者從側(cè)面了解到，船舶與海工行業(yè)中需要的材料種類繁多，而目前金屬增材制造技術(shù)中能直接應(yīng)用的材料比較少，且主要以貴重金屬為主，雖然有些材料可以替代原有零件材料以提高零件本身的性能，但卻難在船舶與海工行業(yè)廣泛應(yīng)用。

那么，此次奪人目光的3D打印船舶螺旋槳成功之處又在哪里呢？在半年前的一次采訪中，某位專家曾就當(dāng)時(shí)金屬3D打印的技術(shù)難題向記者作出過(guò)分析。他曾談到，金屬的熔點(diǎn)相對(duì)較高，所以在成品制造過(guò)程中會(huì)面臨多種物理過(guò)程、熱傳導(dǎo)和表面擴(kuò)散等問(wèn)題。此外，相較于其他材料的3D打印技術(shù)，金屬零部件快速成型技術(shù)也是最為復(fù)雜的。顯然,此次成型的3D打印船舶螺旋槳或證明了以往一直困擾金屬3D打印的技術(shù)難題得到了相應(yīng)解決。

另外，記者也就此次3D打印船舶螺旋槳的利用增減材復(fù)合加工技術(shù)亮點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)追蹤。此次增材技術(shù)方面，據(jù)相關(guān)媒體透露，RAMLAB實(shí)驗(yàn)室使用的是電弧焊接式6軸機(jī)械臂完成的螺旋槳3D打印，而此次負(fù)責(zé)金屬3D打印的WAAM 3D打印機(jī)也頗為獨(dú)特。RAMLAB總經(jīng)理Vincent Wegener曾向外界透露：“與大多數(shù)金屬3D打印機(jī)不同，WAAM 3D打印機(jī)使用鋼絲作為原料，用電弧加熱材料并使用氣體來(lái)保護(hù)3D打印件不受空氣污染物的影響?！睋?jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的人士介紹，能夠用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結(jié)合起來(lái)，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。相對(duì)于粉末化的原料不可不說(shuō)，RAMLAB此次使用的線材原料大大加速了3D打印的過(guò)程，并且也降低了打印成本。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的減材加工也針對(duì)成形的三維的實(shí)體零件進(jìn)行測(cè)量與特征提取，并與CAD模型進(jìn)行對(duì)照尋找誤差區(qū)域后，對(duì)零件進(jìn)行進(jìn)一步加工修正，承擔(dān)了后期的精加工與表面處理工作。最后此次綜合了3D打印與數(shù)控切削加工組合的混合型方案，相信也會(huì)為未來(lái)船舶配件的3D打印提供了更多可行性方案。

那么未來(lái)利用增減材復(fù)合技術(shù)制造3D打印船舶配件又在哪些方面存在上升空間呢？采訪中記者了解到，未來(lái)如何做到在同一臺(tái)機(jī)床上完成所有加工工序值得關(guān)注。因?yàn)樵谕慌_(tái)機(jī)床上可實(shí)現(xiàn)“加減法”的加工，不僅可以避免原本在多平臺(tái)加工時(shí)工件的夾持與取放所帶來(lái)的誤差積累，提高制造精度與生產(chǎn)效率，同時(shí)也會(huì)更加節(jié)省車間空間，降低制造成本。

尋夢(mèng)之旅

采訪中記者了解到，盡管相對(duì)于傳統(tǒng)制造（以減材制造的機(jī)械加工和以等材制造為主的鑄、鍛等）技術(shù)而言，金屬增材制造技術(shù)發(fā)展時(shí)間并不長(zhǎng)，但卻已經(jīng)在航空航天行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。其中德國(guó)利用SLM（Selective Laser Melting）技術(shù)制造出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室及噴氣渦流器；美國(guó)利用DLF（Directed Laser Fabrication）技術(shù)和設(shè)備制造出了飛機(jī)部件；英國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)用激光熔覆技術(shù)修復(fù)了Trent 500航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈，并成功制造出樣件。如今，金屬增材制造技術(shù)正在逐步走進(jìn)船舶制造業(yè)，其在發(fā)展過(guò)程中還將面臨哪些考驗(yàn)，值得探討。

首先，成本還是金屬增材制造技術(shù)亟待解決的發(fā)展溝壑。據(jù)記者了解，目前金屬增材制造的成本相對(duì)其他大規(guī)模的加工技術(shù)工藝而言依然較高。不僅如此，金屬增材制造技術(shù)加工結(jié)構(gòu)單價(jià)較高的背后，還有著另外的一些因素。第一，無(wú)論使用金屬粉末還是金屬絲成本都要比傳統(tǒng)工藝的金屬材料高出不少。第二，不論是加工熱源還是加工環(huán)境的控制，其所面臨的環(huán)境要求都要比傳統(tǒng)加工手段還要嚴(yán)苛。第三，目前來(lái)看作為一項(xiàng)正在發(fā)展中的制造技術(shù)，增材制造的成熟度還不能同金屬切削、鑄、鍛、焊、粉末冶金等制造技術(shù)相比，還有大量研究工作需要進(jìn)行。這其中也就包括了激光成型專用合金體系、零件的組織與性能控制、應(yīng)力變形控制、缺陷的檢測(cè)與控制、先進(jìn)裝備的研發(fā)等。大量的科學(xué)基礎(chǔ)、工程化應(yīng)用等等研究工作必然需要資金的支持。相應(yīng)地，這也將導(dǎo)致通過(guò)金屬增材技術(shù)制造的船舶配件價(jià)格在短時(shí)間內(nèi)難以“親民”。

此外，不可否認(rèn)在船舶領(lǐng)域，零部件尺寸一般相對(duì)較大。據(jù)記者了解，完成此次3D螺旋槳打印的RAMLAB實(shí)驗(yàn)室的WAAM 3D打印機(jī)也僅能夠焊接尺寸達(dá)2×2×2米的金屬零部件。如果未來(lái)金屬增材制造設(shè)備加工尺寸范圍不足的問(wèn)題不能得到完善解決，那么也將制約金屬增材制造只能應(yīng)用于制造縮比模型，效力于力學(xué)材料等性能的測(cè)試。一旦這一說(shuō)法成立，那么也就意味著金屬增材制造失去生產(chǎn)上的意義。

當(dāng)然，新技術(shù)的應(yīng)用一般都需要經(jīng)歷一個(gè)發(fā)展、磨合、適應(yīng)的階段后才會(huì)步入正軌，在初期肯定會(huì)遇到不少問(wèn)題。有媒體也針對(duì)相關(guān)法律糾紛問(wèn)題提出了疑惑，例如備件供應(yīng)商的許可。不止于空談，曾經(jīng)馬士基的計(jì)劃便是聯(lián)合制造商一起開發(fā)3D打印技術(shù)，這樣不但能最大程度地避免一些法律糾紛，而且還能使打印出的備件質(zhì)量更可靠。

最后，有必要談一談不少業(yè)內(nèi)人士的質(zhì)疑：如安裝上船的所有零部件及設(shè)備都必須通過(guò)船級(jí)社認(rèn)可，在船舶航行過(guò)程中運(yùn)用3D技術(shù)打印出來(lái)的產(chǎn)品如何滿足這一要求?采訪過(guò)程中不少業(yè)內(nèi)人士依然認(rèn)為，3D打印產(chǎn)品的強(qiáng)度、硬度、精度及功能恐難滿足船舶要求。這其中就包括了當(dāng)某個(gè)船舶零部件需要承重，并且易受高壓和高溫環(huán)境影響時(shí)，打印出來(lái)的產(chǎn)品能否勝任這一問(wèn)題。不過(guò)專家也坦言，也許未來(lái)在3D技術(shù)發(fā)展到一定階段，能夠打印出各種精密的金屬物件時(shí)，3D打印在船舶行業(yè)的大范圍推廣運(yùn)用才能成為現(xiàn)實(shí)。