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3D打印技术在船舶行业的应用(一)

2017/6/8    来源:互联网    作者:祈斌      
关键字:3D打印  船舶  

    3D打印的概念

    3D打印的学术名称为增材制造,是始于20世纪80年代的快速成型技术,其概念则起源于更早的19世纪美国,直到最近几年才逐渐发展成一项热门技术,因此也被人称之为“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。该技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,只需要1台支持三维设计的计算机,通过计算机控制与其相连的3D打印机,就可以利用熔合焊接、烧结、黏结等手段把打印材料逐层构建起来,从而快速、精确地制造出任意复杂形状的物件。目前3D打印能使用的材料包括尼龙、石膏、陶瓷、铝、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等。3DfTEP技术可以细分为多个类型,主要是以可用材料和构层方式来区分,详见表1。其中,就目前而言最先进的技术为直接金属激光烧结,掌握该技术的组织在全球范围内也屈指可数。

    表l 3D打印的技术分类

    1

    当前3D打印所涉及的领域包括珠宝、服饰、工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、医疗、教育、地理信息系统、土木工程、武备。对于船舶行业来说,3D打印可以算得上是一门非常新的技术,就目前而言,实际应用并不多,不过可以确定的是,3D打印技术作为制造业的组成部分,该技术的发展必然会对船舶行业带来重要影响,不仅是在设计制造阶段,还包括运营阶段,虽然目前还不是很明显,但相关各界均已开始对此表示关注。

    3D打印的优势和劣势

    要了解3D打印到底能为船舶行业带来什么影响,首先就要了解该技术的优势和劣势,这样才能更好地做出定位。

    3D打印的优势:

    ·精度高——传统的产品制造需要对毛坯进行一系列加工如打磨、切除等才能算真正完成,而3D打EP贝,U是直接成型,这种方式精度更高,光顺度也更好,尤其是在打印复杂物件时更具优势。

    ·用料省——同样是因为直接成型,故3D打印并不存在“边角料”,比传统制造方式更节省原材料。

    ·自由度高--3D打印可以制造出任意复杂形状的物件,包括一些过去难以实现的复杂结构。而且由于采用逐层构建方式,因此不论是简单或复杂物件,之间的区别并不太大。

    ·成型便捷——不像传统制造方式,3D打印过程中无需制作模具以及后期加工,因此生产周期大幅缩短。此外,在设计阶段,若能便捷地制作出样品或模型,也有利于对设计进行验证和改进,提高设计水平和效率。

    ·经济性好——这里的经济性主要有两方面,首先是生产过程,由于无需模具,因此可以省下一笔不小的费用,尤其是对那些批量小、定制型的产品。其次是后期供应链环节,以船舶为例,若能在船上自行制造替换用的零部件,能节省不少开支。

    3D打印的劣势:

    ·材料限制——虽然目前3D打印已能支持尼龙、石膏、陶瓷、金属等各类材料,但依旧不算全面,一些昂贵和稀缺的材料还无法实现打印,而且单台3D打印机所能支持的材料也有限。

    ·生产效率问题——上文有提至IJ3D打印成型便捷,但这只是针对制作模型或原型产品,而对于那种在生产线上大批量制作的产品来说就不那么给力了。此外,金属物件的打印速度也相对较慢,对于如发动机这种金属构件占90%以上的产品来说,目前也很难应用于生产线。

    ·购置成本较高——现阶段,3D打印机本身和打印材料占据了成本组成的大部分,特别是那些支持金属材料的3D打印机,如一台支持金属材料的3D打印机价格约100万美元,而一台工业用的塑料3D打印机仅需25000美元。

    ·打印机的操作——在进行3D打印前,需要先进行设计和建模,这对于普通人来说比较有难度,包括船上的普通船员,因此目前一些3D打印操作都是有专人负责。未来即使商家会提供一些产品库,但对于一些定制物件来说,仍然不是每个人都能操作的。

    ·法律与道德问题——首先是法律问题,比如知识产权和规范标准,3D打印所制造出的产品如发动机零部件等是否能擅自使用?需不需要获得原厂商等相关方的认证和授权?出了问题到底是哪方负责?其次是道德问题,如枪支等危险物品都已能通过3D打印实现制造,若是被不法分子利用,将对社会产生不可忽视的危害。

    3D打印在船舶领域的运用

    从上述3D打印的优缺点来看,该技术在船舶领域有着较好的发展前景,可应用的范围也较大。例如,在船舶设计阶段制作用于验证和改进设计的模型;一些小批量、定制型船舶配套产品的制造;运营阶段备件的供应;舰载无人机、无人艇,甚至小艇的制造等。下文将列举一些3D打印技术在船舶领域的实际应用案例以及相关方对此新技术的态度和看法。

    1.马士基的3D打印备件供应链

    数年前,马士基油轮公司就已在追赶潮流,试图利用3D打印这项新技术革新其船舶备件供应链。该公司相关人士称,对于船员来说处理设备故障是一种常见的挑战,工作重点在于如何将部件尽可能快地从陆上送到船上。按照传统方法,首先要确定需要什么部件,之后将其运往船舶下一个要经过的港口,最后租一艘小艇将所需要的部件送到船上。之所以要租用小艇,是因为鉴于油船货物的危险性,一般是被禁止进入港口主要区域的。

    除了这些步骤,事实上,油船还经常不能按时到港,这就使部件的运送工作变得更复杂。马士基油轮公司有三分之二的船是以现货交易的模式运营,因此客户租船后,并不会每次都明确在哪里卸货,可能是从委内瑞拉到休斯顿之间的任何港口,这种不确定性也为备件的运送工作带来了一些麻烦。从成本上来看,算上仓库贮存、包装、空运至港口、清关,以及租用小艇等一系列费用,那么仅将1个零件运送至船上的成本就高达5000美元。另外,一系列运输过程还会产生不少废气排放,不利于环保。总的来看,我们可以把传统运送备件到船上这项工作的劣势归纳为以下几点:

    ·作业过程复杂。

    ·会产生不低的费用。

    ·会对环境产生不小的影响。

    ·延长船舶航行时间。

    通常来讲,新兴的技术意味着还有很多未知,不过虽然目前还不知道3D打印技术在船上能发挥到什么程度的作用,但即使只能打印一小部分零件,那也会对供应链成本带来不小冲击。若在船上使用3D打印,则将免去包装、运输等一系列费用,而且还更环保。

    于是,马士基决定在旗下的1艘油船上安装3D打印机以便船员“打印”出所需要的零件。不过令人遗憾的是,这次尝试被默默地搁置在一边,马士基油轮公司也没有更新进展报道。有报道猜测称该公司可能更愿意先在岸上使用3D打印机而不是在船上,这样至少能缩短备件的交付时间,当然,前提是这些备件可以被打印出来。

    2.3D打印在发动机制造领域的应用

    由于目前3D打印已能使用金属材料,世界上一些知名的大型公司也对此产生了浓厚的兴趣,想借此来提升生产速度,以及花费更低的成本(相对机械加工和模制零件)创造出更复杂、更轻便的零件。

    当然,新技术的应用一般都需要经历一个发展、磨合、适应的阶段后才会步上正轨,在初期肯定会遇到不少问题,比如备件供应商的许可等。马士基的计划是联合制造商一起开发3D打印技术,这样不但能最大程度地避免一些法律纠纷,而且还能使打印出的备件质量更可靠。为其提供发动机零件的曼恩柴油机和透平公司对此很感兴趣,认为这是个不可错过的好时机。

    不过曼恩公司称,快速制作样品和较高的设计自由度无疑是现阶段3D打印技术的最大优势所在,但对于连续生产简单零部件来说,这项技术却并不适用。同时,由于塑料在发动机材料成分中占比较低,而当前使用金属材料的3D打印其工作速度却相对较慢,因此虽然曼恩公司对于使用金属材料进行3D打印兴趣浓厚,但也承认工作速度慢将抵消该技术的优势。此外,支持金属材料的3D}]-印机目前也较昂贵,购置成本偏高。

    除了曼恩公司,其他发动机制造商对3D打印同样持谨慎乐观态度,如MTU和瓦锡兰,这两家世界知名发动机厂商都表示暂未使用3D打印技术。不过这两家公司很可能走曼恩的合作路线,并对3D打印技术的发展情况保持密切关注。

    虽然3D打印技术目前还不适合直接用于发动机零部件的制造,但也有其他变通模式并已有实际应用,比如打EPBB些复杂的铸造模具以生产那些用于发动机的金属铸件。直接打印金属部件是下一阶段要攻克的难题,这样一来就能省去整个铸造程序,要知道铸造过程不但成本高,而且精度肯定也不如3D打印。

责任编辑:张纯子
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