3D打印技術能否顛覆船舶制造

本刊記者 徐華

有消息稱，全球最大的集運公司馬士基7月宣布，計劃采用3D打印技術來制造集裝箱船上的部分船舶備件。馬士基方面表示，集裝箱船在航行期間，若船內配件受損，短期內難以迅速獲得廉價便捷的更換服務，因此3D打印似乎成為了一種完美的解決方案。至此，3D打印應用于船舶配套行業(yè)，乃至造船業(yè)似乎又近了一步，那么，3D打印機上船是否對造船業(yè)具有革命性意義？為此，本刊專訪了江南造船集團總工程師胡可一。

記者：3D打印機上船對造船以及配套業(yè)帶來哪些變革和挑戰(zhàn)？是否會改變傳統(tǒng)造船的理念？如何改變？傳統(tǒng)設備制造和提供模式會否遭到顛覆？

胡可一：從船舶建造工藝的發(fā)展歷史的來看，鋼制船舶最大的革命性變革就是從鉚接到焊接，其后的工藝進步多是技術的小改進，主要是提升效率、節(jié)約成本，但建造工藝技術的本質沒有發(fā)生根本性變化。馬士基的大膽設想留給造船與配套行業(yè)很大的想象空間，也留下了很多疑問。由于馬士基并沒有說明打印哪種配件，對于集裝箱船來說，和常規(guī)船舶一樣其易損件多半是運動部件，如推進主機、發(fā)電機、舵機等設備上的運動零部件，但這些部件一般都是由原廠通過全球保修服務網(wǎng)絡提供備件的并按一定的使用年限進行更換。如果在船上進行3D打印的話，必須帶大量的不同類型的原材料，其實用性會會大大折扣。此外，還有大量的操作性的問題需要解決，首先，如果是運動部件或有公差配合的零部件，其質量標準必須要通過原生產廠商和船級社的認可，才可以安裝使用，自已生產的配件可以隨便用嗎？其次，船舶航行中的晃動搖擺，也不利于精密零件的生產，產品質量能保證嗎？第三，打印機是個性化生產，成本高，到下一港口更換豈不更為方便可行和經濟實惠？第四，后續(xù)的保修服務如何進行？原生產廠商是否愿意延續(xù)？

目前從材料，以及技術原理來看，3D打印機廣泛應用于造船與配套業(yè)的可能性并不大，3D打印機的應用空間沒有想象的那么大，還有很大的局限性。

記者：那么，3D打印機要想真正走進船舶制造業(yè)，還需要克服哪些技術障礙？有哪些不利因素阻擋其走進造船工業(yè)？

胡可一：3D打印技術屬于“增材制造”，是通過原材料的疊加固化形成產品。而傳統(tǒng)的鋼質船舶的造船技術來說是“減材制造”，通過切割實現(xiàn)機械產品的準確性，前者所生產出的產品強度、硬度，以及精準度都要遠遠落后于后者。另外，增材制造與減材制造的最大不同在于兩者之間的精度，減材制造最后切削的精準度可以用“N分之一絲”來計算，而增材制造對于大型生產部件來說，很難控制其準確度，若要精準到“N分之一絲”，還必須經過減材制造這個流程。

當然，3D打印機采用特種材料，通過增材制造，可以生產出一個形狀很仿真的東西，但很難達到其原有的功能。比如說，其可以打印出一把手槍，但打印出來的可能只是一把模型槍，很難實現(xiàn)其真正的功能。槍管和槍機等部件表面的硬度和其耐高溫的性能，都不能通過簡單的打印設備來實現(xiàn)。3D打印機對復雜工藝產品還是“零部件級別”的。

對于造船，3D打印技術有更大的局限性。首先是材料受限。馬士基也表示，由于熱塑性塑料是目前3D打印機可用的唯一材料，這會對所制造的備件造成一定限制。但未來預計市場上將出現(xiàn)更加先進的打印機。二是空間受限，打印機是一個包容性的設備，產品通常要比打印機小，不像傳統(tǒng)造船，是將小板拼成大板，大板拼成立體結構。三是打印機的生產模式類似于鑄造和噴涂，而現(xiàn)代鋼質船體通常是薄殼結構，用鑄造的方法很難達到“空間/自重”比。所以，在攻克這些技術問題之前，3D打印真正走進造船業(yè)，還是很難想象的。當然，這是指鋼質船舶甚至拓展一下是金屬質（如鋁合金）船舶，在非金屬材質的船舶（如玻璃鋼）制造方面，3D打印還是大有作為的。

記者：是否可以暢想一下，3D打印機可以在哪些領域有所突破？

胡可一：其實，3D打印的技術原理并不陌生，也在實際生產制造領域有相當?shù)膽谩１热?，管子內部的噴涂，就是運用了打印機噴涂原理。只不過，我們沒有將它定義為3D打印。在機械制造中，機械手在產品部件內部的切割焊接，也是部分3D打印的概念。具體到船舶建造領域，3D打印機應用于配件生產的可能性也并非不可能。鑄造、鍛造，或拉伸的零件，可采用3D打印制造，這樣可以相對提高鑄件的精密度，如原來鑄造出的零件的冗余度很大，那么，用3D打印制造可以很大程度上提高零件的準確度，節(jié)約原材料，然后其配合面再通過車床對其進行加工，但這與原來3D打印機的初衷不同。如果把計算機系統(tǒng)生成數(shù)據(jù)文件輸入到一個數(shù)控生產設備里生產出最終產品看作“3D打印”的話，那么3D打印的范圍就廣了。

鑄造等行業(yè)作業(yè)環(huán)境差，在勞動力日趨高企的情況下，3D打印作為一種改善生產環(huán)境的替代方案不失為一種選擇。但由于當前鑄造等生產早已是批量化大規(guī)模的生產方式，成本很低，3D打印在經濟性上并沒有優(yōu)勢，同時，若3D打印機的工作原理與之前的噴墨打印機相同，則3D打印的效率也不會很高。只有將應用于相對個性化的生產，尤其以貴金屬為材料的產品，才能發(fā)揮其本身的優(yōu)勢。比如說，用于首飾、裝飾物的個性化生產。

個性化的標簽可能讓3D打印與大眾化批量的生產暫時告別，但對一些小眾船型來說，卻有用武之地，比如玻璃鋼船、游艇等小型特殊船型。特別是可噴涂材料的解決，如碳纖維、增強塑料等，現(xiàn)在玻璃鋼船的手工生產模式，與打印機工作原理還是比較相似的。

記者：未來還有哪些新技術有可能對傳統(tǒng)的船舶制造業(yè)帶來技術革命？

胡可一：現(xiàn)在中國造船工業(yè)的發(fā)展主要是靠要素的投入，比如產能提升、大船塢和大吊車、廠房加大、生產設備增加來推動。從目前來看，數(shù)字化在造船領域的應用，如計算機管理、三維建模應用等方面越來越完善，智能化越來越強。生產過程的模擬技術，也是數(shù)字技術的一種應用，通過對生產流程的模擬、物料的模擬等來實現(xiàn)精細化管理。另外，生產設備不斷在更新?lián)Q代，比如起重能力的提升等。節(jié)能減排的一些技術，如風帆技術、空氣潤滑等的應用，也是在不斷推陳出新。

但對于造船業(yè)的革命性變革，目前看并沒有產生明顯的跡象。在目前產能過剩的大環(huán)境下，提高效率的本意是降低企業(yè)的成本，渡過難關，更應從管理上入手而不是僅僅增加要素投入。二十年前，歐洲一些船廠為了遏制造船業(yè)的東移，也在提高生產設備自動化方面上做了大量的投入和嘗試，結果都不是很成功，之后卻是因為雇傭了東歐國家的一些廉價勞動力而節(jié)省了很多勞動力成本。但這些努力并沒有阻止造船業(yè)東移的大趨勢，一些歐洲船廠依靠高技術復雜船型，如豪華客船，在沒有大量增加新要素投入、沒有擴大規(guī)模的情況卻生存下來了。