梅夢(mèng)磊，秦 琪，方馨悅，陳順洪

（1.武警海警學(xué)院，寧波 315801；2.廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250；3.63969 部隊(duì)，南京 210000）

1 前言

3D 打印是一種先進(jìn)的加工制造技術(shù)，具有節(jié)省原材料和制造靈活的特點(diǎn)，有著巨大的應(yīng)用前景。3D 打印是通過(guò)噴頭將具有熱塑性的材料熔融，并按照計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）文件中定義的路徑逐層堆積、材料冷卻硬化，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的成型。通用的打印技術(shù)，一般有粉末層噴頭打?。?DP）、直接金屬激光燒結(jié)打?。―MLS）、電子束融化打?。‥BM）、選擇性激光燒結(jié)打?。⊿LS）、選擇性熱燒結(jié)打?。⊿HS）、分層實(shí)體制造（LOM）和立體光刻（SLA）等。

目前3D 打印技術(shù)在部分行業(yè)已取得一定的應(yīng)用成果：在建筑行業(yè)，3D 打印技術(shù)已應(yīng)用于建筑和景觀建造領(lǐng)域，有總長(zhǎng)約28 m 的3D 打印橋、面積約160 m2的3D 打印建筑以及約5 000 m2的3D 打印公園等產(chǎn)品[1]；在汽車行業(yè)，完成了整車的直接打印和部分零部件的打印[2]；在航天航空業(yè)，使用3D 打印技術(shù)制造的各種零部件早已投入使用[3]；在船舶行業(yè)，國(guó)內(nèi)外不少研究機(jī)構(gòu)和船廠也逐漸聚焦3D 打印技術(shù)在船舶建造行業(yè)的可行性。其中，2014 年，馬士基和美國(guó)海軍已經(jīng)在個(gè)別船舶和軍艦上安裝了3D 打印機(jī)[4]；2017年，荷蘭達(dá)門船廠3D 打印了世界首個(gè)通過(guò)船級(jí)社認(rèn)證的直徑約1.3 m 的船用螺旋槳；2018 年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室完成了潛艇外殼的3D 打印[5]。盡管目前利用3D 打印技術(shù)在船舶行業(yè)做了不少嘗試，但仍未形成廣泛的工業(yè)應(yīng)用和行業(yè)規(guī)模，該技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用仍處于起步階段。

2 3D 打印技術(shù)應(yīng)用于船舶行業(yè)面臨的問(wèn)題和應(yīng)用方向

2.1 面臨的問(wèn)題

相比傳統(tǒng)制造方式，3D 打印技術(shù)具有精度高、用料省、自由度高以及成型便捷等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)分析3D 打印技術(shù)在汽車、建筑、醫(yī)療、航空行業(yè)應(yīng)用中的特點(diǎn)和問(wèn)題，總結(jié)出要推動(dòng)3D 打印技術(shù)在船舶行業(yè)應(yīng)用需要盡快解決的以下問(wèn)題：

1）打印尺寸

打印機(jī)是一個(gè)包容性設(shè)備，所打印的產(chǎn)品要小于打印機(jī)本身的尺寸，而船舶制造業(yè)面對(duì)的往往是幾米到幾十米的構(gòu)件和分段，這需要巨型的3D 打印機(jī)。目前世界上已完成的最大金屬打印部件為克蘭菲爾德大學(xué)制造的長(zhǎng)約6 m 的3D 打印鋁塊，這樣的尺寸對(duì)于造船行業(yè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如何在控制成本的前提下突破尺寸的限制是一個(gè)亟待解決的難題。

2）材料性能

船舶在水中受到外部風(fēng)浪流載荷與內(nèi)部貨物載荷，對(duì)材料性能要求高，而3D 打印通常為單一材料打印，構(gòu)件抗壓不抗拉，難以滿足要求。航天航空業(yè)采用鈦合金材料，并已成功投入實(shí)際生產(chǎn)，但這種材料費(fèi)用高昂難以在船舶行業(yè)廣泛使用，尋找性能滿足要求、價(jià)格合理的打印材料是需要解決的第二個(gè)問(wèn)題。

3）制造成本

如今國(guó)內(nèi)造船產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩，國(guó)際船市萎靡不振，在這種大環(huán)境下船廠不愿花費(fèi)精力探索3D 打印這種新興技術(shù)，使得3D 打印技術(shù)在船舶行業(yè)中的發(fā)展緩慢。

2.2 應(yīng)用方向

結(jié)合上述3D 打印技術(shù)在船舶行業(yè)應(yīng)用面臨的問(wèn)題，可以看出目前3D 打印技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用方向不在大型船舶上，而應(yīng)在小型船舶上尋找機(jī)會(huì)：

1）小型船舶的建造

根據(jù)目前市場(chǎng)條件，能使用3D 打印進(jìn)行建造的船舶主要有：用于船池試驗(yàn)的船模；無(wú)人艇；小型玻璃鋼船。以試驗(yàn)船模為例，傳統(tǒng)船模價(jià)格幾千到上萬(wàn)不等，其制作過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，對(duì)工人身體以及環(huán)境都造成不利的影響，而且船模尺寸小，對(duì)強(qiáng)度要求較低，應(yīng)用3D 打印技術(shù)有著很大的應(yīng)用潛力。

2）船舶的個(gè)性化內(nèi)裝

如游艇這種高附加值船舶，其昂貴的售價(jià)主要來(lái)自于其獨(dú)一無(wú)二的內(nèi)裝設(shè)計(jì)，即個(gè)性化定制。將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于個(gè)性化定制將發(fā)揮其特性，快捷地實(shí)現(xiàn)各種藝術(shù)造型且成本低廉，同時(shí)可采用3D 打印部件作為骨架、外部進(jìn)行材質(zhì)蒙皮的工藝，既能降低成本又能保證內(nèi)裝效果。

3 3D 打印技術(shù)應(yīng)用于船舶建造初探

3.1 打印船舶類型

建造船舶的材料中具有熱塑性的材料有鋼鐵、鋁合金和玻璃鋼等，其中用于金屬打印的粉末材料價(jià)格較高，明顯違背市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)；而玻璃鋼材料的價(jià)格相對(duì)便宜，同時(shí)玻璃鋼船尺度相對(duì)較小，對(duì)3D 打印機(jī)器尺度要求小，因此3D 打印技術(shù)在玻璃鋼船的建造上更能發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

目前世界上最大的玻璃鋼3D 打印機(jī)，是我國(guó)青島尤尼科技有限公司自主研發(fā)的巨型打印機(jī)，該打印機(jī)的成型空間為12 m×12 m×12 m。它將玻璃鋼材料加熱擠壓成半熔融狀態(tài)并層層沉積堆棧在基礎(chǔ)地板上，利用相關(guān)數(shù)據(jù)資料直接建構(gòu)出原型，如此規(guī)格的成型空間為玻璃鋼船建造提供了條件。

3.2 分段建筑方案

上述12 m×12 m×12 m 的3D 打印機(jī)成型空間，可以實(shí)現(xiàn)小型玻璃鋼船的直接建造，但對(duì)于船長(zhǎng)超過(guò)12 m 的船型則無(wú)能為力。為了突破打印空間的限制，本文提出分段建造的方式，分段建造在鋼制船舶中是非常成熟的技術(shù)，但因?yàn)椴Ａт摬牧蠠o(wú)法焊接的特點(diǎn)，分段建筑技術(shù)從沒(méi)有應(yīng)用于玻璃鋼船舶建造上，所以首要解決的問(wèn)題就是如何實(shí)現(xiàn)分段的對(duì)接。本文提出的解決方案，是采用一定的接頭形式膠接，即借助膠粘劑或玻璃鋼的二次成型，將玻璃鋼材料之間或其他材料之間彼此連接。

1）膠接接頭形式

據(jù)有關(guān)資料介紹，接頭的形式有上百種[6]，包括圖1 所示的各種。

圖1 不同的膠接接頭形式

上述接頭形式中，槽型接頭增加了膠接面積，改善了應(yīng)力集中，適用于連接厚壁結(jié)構(gòu)；玻璃鋼船體壁厚較大，適合以此為原型進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)；船體板的對(duì)接，采用圖2（左)所示的接頭形式，此種形式在接頭處進(jìn)行了加強(qiáng)，增強(qiáng)了該處的剛度，同時(shí)增加了膠接面積。

圖2 分段對(duì)接接頭（左為船體板接頭，右為強(qiáng)構(gòu)件接頭）

膠接具有良好的壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度，但其抗剝離強(qiáng)度較低。船舶在水上航行時(shí)受到外部風(fēng)浪流載荷與內(nèi)部貨物載荷，分段接頭處的受力復(fù)雜，單一的膠接難以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，因此強(qiáng)力構(gòu)件的接頭處需要進(jìn)一步加強(qiáng)，這些接頭多采用機(jī)械連接和膠粘劑連接的復(fù)合連接方式，在膠接的基礎(chǔ)上增加插銷，承受拉應(yīng)力，如圖2（右）所示，圖中a 為插銷，b 為填充區(qū)。

2）膠接過(guò)程需注意的問(wèn)題

在進(jìn)行膠接過(guò)程中，膠接劑因受到擠壓溢出被粘物的端部而形成膠接劑固化劑，即膠粘毛邊。實(shí)驗(yàn)表明，膠粘毛邊的存在改變了端頭受力狀態(tài)，對(duì)膠層起到保護(hù)作用，防止膠層較早出現(xiàn)裂紋，可大大提高接頭處的膠接強(qiáng)度[7]，因此在施工過(guò)程中，要注意對(duì)膠粘毛邊的保留與保護(hù)。

龍骨接頭除了要實(shí)施膠接外，還需進(jìn)行插銷的安裝，插銷的安裝孔需額外考慮。在船廠吊裝精度滿足條件的情況下，推薦在分段打印時(shí)就預(yù)留好安裝孔；如果條件不允許，則可直接在對(duì)接時(shí)打孔，打孔時(shí)要注意避免造成局部裂紋。在對(duì)接之后，插入插銷，并向孔中灌注粘接劑，等粘接劑達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度即完成合攏。

3.3 分段打印

3.3.1 龍骨等強(qiáng)力構(gòu)件打印

傳統(tǒng)玻璃鋼船建造工藝對(duì)龍骨等強(qiáng)構(gòu)件的處理方式是內(nèi)部敷設(shè)泡沫，在泡沫上刷玻璃鋼材料，樹(shù)脂材料滲入泡沫中使泡沫具有較高的強(qiáng)度，硬化的泡沫與表層的玻璃鋼共同承擔(dān)載荷，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。3D打印為單一材料制造，無(wú)法采用上述工藝，因此在這些構(gòu)件處需要采用不同的處理方式。

采用3D 打印方式建造龍骨時(shí)，以玻璃鋼格柵填充傳統(tǒng)工藝中泡沫填充的部分，不同的填充率所消耗的材料不同，打印出構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也不同，在實(shí)際生產(chǎn)中如何確定強(qiáng)力構(gòu)件的填充率有待進(jìn)一步的研究。圖3 為不同填充率的效果，在接近接頭處需采用高填充率，膠接接頭處采用100%填充，即實(shí)體打印。

圖3 不同填充率示意圖

3.3.2 分段布置形式

在完成模型之后，開(kāi)始3D 打印之前，需考慮分段在成型空間中的布置形式，不合理的布置形式將需要大量的輔助支撐以保證成型精度，造成大量的材料浪費(fèi)，增加成本和打印時(shí)間。以下以某82 呎游艇中部分段為對(duì)象，討論分段不同布置形式的優(yōu)劣。

將游艇分段三維模型按照1:200 的比例縮小后，導(dǎo)入某成型空間為700 mm×700 mm×650 mm 的3D 打印機(jī)配套的預(yù)處理軟件中計(jì)算獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，以減少模型縮小對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖4 為分段的不同布置形式；表1 為不同布置形式支撐的影響。

表1 不同布置形式支撐帶來(lái)的影響

圖4 分段的不同布置形式

從數(shù)據(jù)分析可知：

1）支撐所帶來(lái)的材料和時(shí)間增加率，大體成線性關(guān)系；

2）倒扣放置會(huì)使支撐大量增加：3D 打印的成型是自底而上的順序，遇到大角度懸空部分時(shí)材料將無(wú)法有效的堆積，必須通過(guò)打印大量支撐來(lái)保證材料的有效堆積，懸空部分越大所要求的支撐越多，倒扣放置時(shí)整個(gè)船體部分都處于懸空狀態(tài)，因此產(chǎn)生了大量的支撐，此種形式直接排除；

3）正放、豎放的布置形式，都會(huì)一定程度的增加支撐：正放時(shí)，支撐布置于打印平臺(tái)與船底間的空間中，以保證船體部分的有效成型，兩種支撐形式無(wú)太大區(qū)別；豎放時(shí)，支撐布置于舷側(cè)與船底所包圍的空間中，兩種方式的支撐布置都貼近于船體內(nèi)壁，以保證肋骨的有效成型，其中類型2 支撐帶來(lái)的材料增量、時(shí)間增量遠(yuǎn)小于類型1，但對(duì)整體起到的支撐作用不如類型1；

4）正放布置在打印完成后，不需要對(duì)船體分段進(jìn)行翻身，在除掉支撐材料后可以直接進(jìn)行對(duì)接，但支撐所帶來(lái)的材料增量與打印時(shí)間增量較大；豎放布置在打印完成后，分段需要進(jìn)行一次翻身，采用支撐2 形式時(shí)支撐帶來(lái)的影響大大減?。粌煞N布置形式各有優(yōu)劣，考慮到除去支撐材料的便利性、材料成本和時(shí)間成本等因素，豎放布置形式更優(yōu)，故船體中部分段在打印時(shí)的布置形式推薦豎放布置。

4 結(jié)論

3D 打印技術(shù)是一種新型的制造技術(shù)，在各行各業(yè)都有著很大的發(fā)展?jié)摿?。基于?duì)其他行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，總結(jié)了該技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了玻璃鋼船的3D 打印分段建造方案，提出了分段膠接接頭的兩種形式，并對(duì)分段打印過(guò)程中分段的布置形式和龍骨的填充進(jìn)行了比較，得到船體中部分段適合豎放布置的結(jié)論。