3D打印技術(shù)將長期對傳統(tǒng)造船業(yè)產(chǎn)生革命性影響
2015-12-24 來源：中國船舶設(shè)備網(wǎng) 作者：
3D打印技術(shù)短時(shí)很難在造船業(yè)廣泛應(yīng)用，但長期將對傳統(tǒng)造船業(yè)產(chǎn)生革命性影響。
3D打印技術(shù)作為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”，被認(rèn)為是推動(dòng)新一輪工業(yè)革命的重要契機(jī)。隨著“智能制造”和“工業(yè)4.0”概念的提出，3D 打印技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用也成為熱議話題。
本文運(yùn)用文獻(xiàn)研究法和觀察法，以3D打印技術(shù)將給制造業(yè)帶來的沖擊為切入點(diǎn)，綜合分析3D打印技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為3D打印技術(shù)短時(shí)很難在造船業(yè)廣泛應(yīng)用，但長期將對傳統(tǒng)造船業(yè)產(chǎn)生革命性影響。
主流的3D打印技術(shù)
3D打印技術(shù)是快速成形技術(shù)的一種，也叫作增材制造。基本原理是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或者掃描等做好3D模型；按照某一坐標(biāo)軸切成無限多個(gè)剖面，然后一層一層打印出來，并按原來的位置堆積到一起，形成一個(gè)實(shí)體的立體模型。其工藝流程一般分為三步，即三維建模、產(chǎn)品成型和成品后處理。
目前有十幾種切實(shí)可行的快速成形技術(shù)，但幾乎所有技術(shù)都基于以下三種基本原理。
一是，通過擠壓打印噴頭來形成鑄件或半液體材料。最常見的方法是擠壓不斷流出的熱塑性塑料，這種熱塑性塑料在離開打印機(jī)噴頭的時(shí)候迅速凝固成型。目前市場上存在的“熔融沉積成型”、“塑料噴印”、“熔絲建模”、“熔絲制造”或“熔融沉積法”都是屬于這種原理的產(chǎn)物，只是因?yàn)橹R(shí)產(chǎn)權(quán)問題而叫法不同。
二是，通過使一種不常見的被稱作“感光性樹脂”的液體變成固體從而形成物理層。這種液體暴露于激光或其他光源中時(shí)會(huì)變硬，如“光固化快速成型工藝”、“感光性樹脂噴射”、“多噴頭建模”和“噴墨感光性樹脂”。
三是，通過逐層粘合一種不常見的精細(xì)粉末來制作模型。這種“顆粒狀材料的粘合”既可以通過噴射液體膠水或粘合每一粉末層達(dá)到，又可以通過激光或其他熱源來熔化粉末顆粒來形成。如“粘合劑噴射技術(shù)”、“選擇性激光燒結(jié)技術(shù)”、“定向能量沉積技術(shù)”和“電子束熔煉技術(shù)”。
另外還有“分層實(shí)體制造技術(shù)”，是通過使用激光切割器將紙張、塑料或金屬箔粘合在一起，再利用供給設(shè)備把材料推到制作平臺(tái)上，用輥（通常是加熱的）在薄板上碾壓，最后位于上方的激光在薄板上切割出物體層輪廓，然后降低制作平臺(tái)。此過程不斷重復(fù)，直至打印完成整個(gè)物體。然而提供此技術(shù)的企業(yè)已經(jīng)停業(yè)，而且其他幾家生產(chǎn)此技術(shù)打印機(jī)的制造商也陸續(xù)離開3D打印市場，因此該技術(shù)被認(rèn)為已經(jīng)消亡。
3D打印技術(shù)現(xiàn)狀
3D 打印技術(shù)的應(yīng)用可分為工業(yè)級和消費(fèi)級兩種。1986年，美國 3D Systems成立，兩年后推出了第一款工業(yè)化的“3D打印”設(shè)備——SLA-250，短短幾年形成了巨大的市場。3D打印設(shè)備用戶由原來為自己的產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)的大企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)，迅速拓展至中小企業(yè)甚至是3D打印的個(gè)人愛好者。目前，全球有兩家3D打印機(jī)制造巨頭——3D Systems 和Stratasys，均為美國上市企業(yè)。作為工業(yè)級 3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，兩家企業(yè)拓展下游領(lǐng)域、加強(qiáng)軟件與解決方案投入以及行業(yè)整合，產(chǎn)品范圍小到生物血管，大到飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，目前全世界已有越來越多的廠商進(jìn)入3D打印領(lǐng)域，如德國的Voxeljet和美國的ExOne等中小型3D打印制造商。3D打印技術(shù)的應(yīng)用也從最初的科研研究延展到醫(yī)學(xué)、服裝、建筑、加點(diǎn)、機(jī)械制造和工業(yè)造型等領(lǐng)域。
隨著全球3D打印技術(shù)的成熟， 3D打印市場步入高增長。Canalys預(yù)計(jì)到 2018年3D打印機(jī)的市場銷售額可達(dá)到 162億美元（包括打印機(jī)、材料和相關(guān)服務(wù)），呈現(xiàn) 40%～50%的年均高速增長率。Juniper Research預(yù)計(jì)中國 3D打印機(jī)和相關(guān)的材料市場規(guī)模將從目前的 7500萬美元增加至 2018年的 12億美元，呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，至 2018年占全球市場的份額增長至 7.4% 。
3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)
相對于傳統(tǒng)的材料去除，也就是切削加工技術(shù)，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢是不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序，即可快速精密地造出形狀復(fù)雜的零件，從而大幅縮短加工工期。因此，所制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其優(yōu)勢就越明顯。
3D打印技術(shù)在具備眾多優(yōu)勢的同時(shí)，也存在不少局限性 。
3D打印技術(shù)在造船上的應(yīng)用
目前，3D打印技術(shù)在船舶制造行業(yè)還無法得到廣泛應(yīng)用，這是由3D打印技術(shù)的優(yōu)勢不能在船舶制造行業(yè)充分發(fā)揮決定的。
尺寸受限
由于3D打印機(jī)是一種包容性的打印設(shè)備，產(chǎn)品通常要比打印機(jī)小。而船舶制造業(yè)的結(jié)構(gòu)尺寸比目前3D打印尺寸要大很多，使得3D打印很難打印出合適的造船上需要的結(jié)構(gòu)。
材料昂貴
目前，合適3D打印的材料有塑料、陶瓷、合金多種，但相對于傳統(tǒng)造船上大量使用的材料——鋼材來說還是貴很多。即使使用在現(xiàn)有3D打印中相對較便宜的熱塑性塑料相比于傳統(tǒng)造船業(yè)的鋼材仍然貴很多，且船舶制造并沒有太多部件適合熱塑性塑料。
時(shí)效性優(yōu)勢無法發(fā)揮
雖然3D打印無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，能極大地縮短產(chǎn)品的研制周期。傳統(tǒng)的造船業(yè)及配套業(yè)，通過標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化的流水線生產(chǎn)方式提高生產(chǎn)效率。目前3D打印技術(shù)更多用來打印尺寸小、結(jié)構(gòu)較為簡單的零件，不能用來打印復(fù)雜的系統(tǒng)。
精度不高，質(zhì)量不穩(wěn)
由于3D打印是一項(xiàng)新技術(shù)，目前的精度范圍在0.01毫米，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)船舶制造利用“減材制造”所能達(dá)到的。另外，通過切割實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的強(qiáng)度、硬度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3D打印出的產(chǎn)品。
結(jié)束語
具有前沿性、先導(dǎo)性的3D打印技術(shù)能否在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取決于兩方面的進(jìn)步：一是3D打印技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)成熟穩(wěn)定的3D打印技術(shù)直接可以打印大尺寸、復(fù)雜構(gòu)件；二是傳統(tǒng)的船舶為鋼質(zhì)海船，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，如有可替代鋼質(zhì)材料的經(jīng)濟(jì)、可靠的高分子合成材料，那么用3D打印高分子合成材料海船或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實(shí)。
目前造船工業(yè)的發(fā)展主要是靠要素的投入，如大船塢、大廠房的投入來提高產(chǎn)能。目前，國家在推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)升級，造船業(yè)也在積極推動(dòng)數(shù)字化造船，如計(jì)算機(jī)管理、三維建模。隨著數(shù)字化的發(fā)展、智能化的提高，3D打印技術(shù)的發(fā)展和材料技術(shù)的革命性發(fā)展，3D打印技術(shù)終將對傳統(tǒng)造船業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。
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