張鼎，吳芬，虞黎唯

(1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011;2.上海材料研究所，上海 200437)

3D打印技術(shù)具有三維建模、輕量化、無模具復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型、單件或個性化定制及生產(chǎn)周期短等優(yōu)勢[1]。當(dāng)前，3D打印技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域已有一定的運(yùn)用，主要包括設(shè)備零件制造、無人機(jī)制造等方面[2-3]，但將3D打印技術(shù)運(yùn)用在船舶系統(tǒng)設(shè)計上則少見報道。錨泊是船舶停泊的重要方式之一，基本上所有船舶都會配備錨泊設(shè)備。由于錨泊設(shè)備關(guān)乎船舶的安全、操縱、美觀等，除了按規(guī)范配置錨與錨鏈之外，還需要充分考慮各設(shè)備之間的空間關(guān)系，確定錨機(jī)、掣鏈器、錨鏈筒、錨臺和錨唇等設(shè)備的位置和相關(guān)角度，所以錨系設(shè)計成為了船東、船廠和設(shè)計院格外關(guān)注的一個重要系統(tǒng)，也給設(shè)計人員提出了較高的要求[4]。為此，首先總結(jié)傳統(tǒng)錨系設(shè)計驗證方法存在的問題，然后結(jié)合目前已開展的研究工作，探討基于3D打印技術(shù)的錨系設(shè)計驗證方法，并進(jìn)行拉錨試驗驗證。

1 傳統(tǒng)錨系設(shè)計驗證方法

傳統(tǒng)的錨系設(shè)計驗證基本流程是設(shè)計院提供二維錨系圖紙給船廠，然后船廠根據(jù)圖紙進(jìn)行生產(chǎn)放樣，進(jìn)行拉錨試驗，通過按比例縮小的木模完成。試驗范圍包括外板、錨唇、錨臺、錨鏈筒、錨和錨鏈等組成的錨系，試驗內(nèi)容主要是觀察錨爪貼合情況、錨爪順利收放情況(不卡錨)等，試驗過程需要船東、船廠和設(shè)計院現(xiàn)場觀察并確認(rèn)。

木模試驗成本高且試驗周期長，木模的精度也難以與原有設(shè)計圖紙保持高度一致且不能完全模擬實船的錨系布置情況。此外，由于木質(zhì)與鋼的阻尼、剛度等截然不同，木模試驗和實際錨系的收放存在一定的差異。

2 3D打印技術(shù)簡介

3D打印的主要優(yōu)勢在于無模具成型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化成型，精度高。3D打印獲得一件物品需要經(jīng)歷建模、軟件切割分層、逐層打印和后期處理四個階段，其基本流程見圖1。

圖1 3D打印基本流程

將3D打印運(yùn)用在拉錨試驗上的技術(shù)關(guān)鍵。

1)錨系設(shè)計由傳統(tǒng)的二維圖紙輸入改變?yōu)槿S模型輸入。

2)選用的材料不僅要滿足模擬試驗的技術(shù)要求，還要達(dá)到3D打印工藝的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3)3D打印件的增強(qiáng)處理是否能保證其強(qiáng)度滿足試驗要求，決定其最終的尺寸精度、形狀精度以及機(jī)械強(qiáng)度等參數(shù)。

3 三維設(shè)計基本流程

以典型的錨唇-錨臺-錨鏈筒布置為例，基于UG-NX的錨系三維設(shè)計基本流程如下[5-6]。

1)導(dǎo)入船體線型NAPA模型，截取錨系設(shè)計需要的部分。

2)建立錨鏈筒，根據(jù)錨鏈筒上下出口點(diǎn)確定錨鏈筒中心線，然后根據(jù)中心線確定錨鏈筒內(nèi)外壁。

3)建立錨臺，先決定錨臺長軸，再根據(jù)過下出口點(diǎn)的水平面作草圖決定錨臺水平線，在兩相交直線基礎(chǔ)上決定錨臺平面，最后根據(jù)錨臺截面生成整個錨臺體。

4)建立錨唇，在錨臺平面上以長軸為90°方位線，依次建立0°～360°共計8條方位線，然后在8條方位線上用型值法和藝術(shù)曲線命令建立錨唇型線，最后將截面掃掠成錨唇體。

圖2為將以上步驟建立的模型組合起來的整體模型，是3D打印的最重要輸入條件。

圖2 錨系三維模型示意

錨系其他零件如錨卸扣、錨鏈、轉(zhuǎn)環(huán)等(見圖3)，可在三維軟件上建立標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型，使用時將標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型里面的主要尺寸用所需要模型的尺寸來替換即可。錨的建模是一個比較復(fù)雜的過程，一般應(yīng)按照圖紙詳細(xì)建模，不能進(jìn)行參數(shù)化建模，可考慮在積累一定數(shù)量的模型之后建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，且特殊場合(精度要求不高)可采用縮放方法得到不在標(biāo)準(zhǔn)件庫的錨模型，如基于錨爪長度的比值進(jìn)行等比例縮放。

圖3 錨和錨附件三維模型示意

掣鏈器(見圖4)是錨系布置的重要組成部分，在拉錨試驗階段需體現(xiàn)掣鏈器的布置情況，通過觀察錨鏈的翻轉(zhuǎn)情況來判斷錨系設(shè)計的合理性，避免在實船階段有翻鏈、跳鏈等情況。掣鏈器亦可考慮建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，且特殊場合(精度要求不高)可采用縮放方法得到不在標(biāo)準(zhǔn)件庫的掣鏈器模型，如基于錨鏈直徑的比值進(jìn)行等比例縮放。

圖4 掣鏈器三維模型示意

將以上步驟建立的與實際尺寸一致的三維模型(即圖2～4所示部件)按照要求的縮尺比(如1∶5)進(jìn)行縮放得到新的三維模型，然后將此模型作為輸入條件進(jìn)行3D打印，即完成了整套拉錨試驗的模型，包括船體外板、錨鏈筒、錨臺、錨唇、錨鏈、錨和掣鏈器。在進(jìn)行拉錨試驗后，如需修改原有設(shè)計，可直接在三維模型中修改，相對于傳統(tǒng)的二維圖紙設(shè)計更為快速精確，然后基于修改后的三維模型再進(jìn)行3D打印，此過程可以保證設(shè)計圖紙與試驗?zāi)Ｐ褪冀K一致，其精度遠(yuǎn)高于人工制造的木模。

4 3D打印部件制備工藝

中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院和上海材料研究所(以下簡稱雙方)已對3D打印技術(shù)在拉錨試驗上的運(yùn)用開展了部分合作研究工作?；谘芯吭禾峁┑腻^系部件三維模型，上海材料研究所項目組采用SLS(選擇性激光燒結(jié))燒結(jié)技術(shù)制備PS(聚苯乙烯)粉末3D打印原型件，縮尺比為1∶5。通過多次試驗得到PS粉末材料較優(yōu)的SLS燒結(jié)工藝參數(shù)，見表1。并通過使用PS粉末材料進(jìn)行了大量的打印實驗，得到了以下經(jīng)驗：PS打印時為保證變形量盡可能的小，需加基底固定，基底高度越高，第一層高溫層變形量越小，后面各層形變也就越?。挥捎赑S粉末熔點(diǎn)與加工溫度存在加大差異，初始打印時應(yīng)盡量減小加工區(qū)域與未加工區(qū)域的溫度梯度，采用高溫加工，減少形變產(chǎn)生；當(dāng)打印出一定高度的制品后，此時制品形狀已基本固定，應(yīng)調(diào)低加工溫度，防止粉末與制品發(fā)生嚴(yán)重粘連，導(dǎo)致制品無法取出。

表1 優(yōu)化的PS粉末材料SLS燒結(jié)工藝參數(shù)

由于PS材料本身的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特性，得到的PS打印制件強(qiáng)度仍不能達(dá)到功能結(jié)構(gòu)件的使用要求，制件致密度較低、孔隙率較高、強(qiáng)度低、脆性大，故需利用環(huán)氧樹脂和碳纖維布進(jìn)行增強(qiáng)試驗。其中，環(huán)氧樹脂增強(qiáng)的主要工藝如下。

1)將環(huán)氧樹脂混合液緩慢均勻地滲入PS粉末3D打印件中，直至滲透結(jié)束，得到浸滲環(huán)氧樹脂的試件。

2)用毛刷沾取少量樹脂混合液從PS粉末3D打印試件上表面開始滲透，樹脂在重力的作用下逐步填充到打印件的整個孔隙中，且在整個滲透過程中需保證滲透表面有環(huán)氧樹脂混合液覆蓋；為使孔隙中的空氣能夠排出，滲透時必須保證至少有一個面能夠排出空氣。

3)當(dāng)打印件滲透樹脂到一定程度后，再放入真空吸排機(jī)中處理，使樹脂混合液更均勻地浸滲于3D打印件內(nèi)。

碳纖維布增強(qiáng)的主要工藝為將預(yù)處理的纖維布貼附于環(huán)氧樹脂增強(qiáng)后的3D打印試件表面，并使樹脂完全浸潤纖維布，再除去試件表面多余的樹脂混合液，得到浸滲粘附完全的試件。

通過采用多種固化材料體系進(jìn)行試驗發(fā)現(xiàn)，在使用雙酚 A型環(huán)氧樹脂、651固化劑和6530柔性環(huán)氧樹脂等組合體系的前提下，碳纖維布協(xié)同環(huán)氧樹脂增強(qiáng)的3D打印件力學(xué)性能較優(yōu)，其拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到55.82 MPa、13.85 kJ/m2和167.68 MPa?？梢姌渲鰪?qiáng)的3D打印件，滲透的環(huán)氧樹脂填補(bǔ)了3D打印件原有的孔隙，把PS顆粒浸潤、粘結(jié)包裹起來，相互結(jié)合緊密，形成了一種新的復(fù)合材料，增強(qiáng)了材料的力學(xué)性能；樹脂對PS粉末的3D打印件的孔隙填補(bǔ)充分，相互之間結(jié)合緊密，且樹脂與碳纖維布均浸潤良好。

綜上所述，部件的制備工藝主要包括3D打印工藝和復(fù)合材料制備工藝。其中，3D打印工藝的基本步驟：打印準(zhǔn)備→打印參數(shù)設(shè)定→高溫層參數(shù)設(shè)定→基本制造系數(shù)設(shè)定→溫度設(shè)置設(shè)定→打印件清理；復(fù)合材料制備工藝的基本步驟：制備樹脂混合液→樹脂增強(qiáng)→碳纖維布除雜活化處理→碳纖維布增強(qiáng)→高溫固化→打磨拋光。在此基礎(chǔ)上，上海材料研究所成功制備出能進(jìn)行模型試驗的部件：錨和錨鏈，見圖5。

圖5 3D打印的拉錨試驗用錨及錨鏈

5 試驗驗證及探討

為了檢驗3D打印的部件能否滿足拉錨試驗的要求，在某船廠進(jìn)行3D打印錨的試驗驗證。通過現(xiàn)場觀察可以看到，3D打印模型的錨爪翻轉(zhuǎn)、錨爪與錨唇最終貼合位置等情況與該船的傳統(tǒng)木模錨模型相似，見圖6。

圖6 3D打印錨的收放、收藏及貼合

同時，在船廠專門對3D打印錨鏈和錨進(jìn)行了多次收放試驗，其中錨鏈經(jīng)過導(dǎo)鏈輪由電動馬達(dá)牽引。試驗完成后，對每個錨鏈的外形均進(jìn)行了仔細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)變形、裂紋等損傷缺陷，表明該錨鏈的強(qiáng)度能滿足拉錨試驗要求，見圖7。通過試驗結(jié)果可以看到，將3D打印技術(shù)運(yùn)用在拉錨試驗上是可以實現(xiàn)的，為下一步全套拉錨試驗?zāi)Ｐ偷?D打印奠定了基礎(chǔ)。

圖7 3D打印錨鏈的收放試驗及強(qiáng)度試驗裝置

另外，通過與船廠和上海材料研究所的溝通了解到，一般而言，拉錨試驗全套木質(zhì)模型(縮尺比為1∶5)的制作時間約為1.5個月(不包括掣鏈器，船廠為了減少成本，目前的拉錨試驗均采用同一規(guī)格的掣鏈器)，且成本約為8萬元；如果3D打印技術(shù)運(yùn)用在錨系部件制造上的工藝已成熟，其制作和實船錨系布置基本一致的全套模型(縮尺比為1∶5)時間可控制在20 d以內(nèi)，且成本可控制在1.5萬人民幣以內(nèi)。由此可見，3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可以提高試驗效率并節(jié)省成本。