3D打印技術(shù)如何影響航運相關(guān)產(chǎn)業(yè)

CCS釜山分社 周立偉

3D打印又稱增材制造，是一種快速成形技術(shù)，其使用激光束熔化原料（目前主要有塑料和金屬）并通過逐層堆塑來最終形成成品，可快速生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品或部件。與采用切削或鉆孔（即減材工藝）方式的傳統(tǒng)機械加工技術(shù)不同，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積即“積層制造”方式來直接構(gòu)造物體。

3D打印技術(shù)被“經(jīng)濟學(xué)家”雜志譽為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)，現(xiàn)產(chǎn)業(yè)價值約為40億美元，并以60%的年增速發(fā)展，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、汽車、航空和航天工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，主要用于成品和部分精密零部件的制造，預(yù)計整個行業(yè)到2020年將實現(xiàn)210億美元的產(chǎn)值。

3D打印一般由三維設(shè)計、3D打印和表面處理三個關(guān)鍵過程組成。

三維模型的分區(qū)

三維設(shè)計是通過計算機輔助設(shè)計(CAD）或計算機動畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，從而指導(dǎo)打印機逐層打印。設(shè)計軟件和打印機之間協(xié)作的標(biāo)準文件格式是STL文件格式，一個STL文件使用三角面來大致模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。如果對現(xiàn)有產(chǎn)品進行復(fù)制，則可以使用PLY等掃描器，對物品掃描來生成VRML或者WRL格式的三維文件作為全彩打印的輸入文件。

打印過程是通過打印機讀取STL文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。打印機打出的截面厚度（即Z方向）以及平面方向（即X-Y方向）的分辨率是以dpi（每英寸像素數(shù)）或者以微米來計算，一般Z方向厚度為100微米（即0．1毫米），部分高精度打印機甚至可以打印16微米厚度；而X-Y平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”直徑通常為50到100個微米。用傳統(tǒng)方法需數(shù)小時到數(shù)天制造出的模型，根據(jù)打印機性能以及模型尺寸和復(fù)雜程度，用3D打印可縮短為一到幾個小時。

表面處理是為了獲得更高分辨率的物品表面，先用當(dāng)前3D打印機打出稍大一點的物體，再經(jīng)過表面打磨從而得到表面更加光滑的“高分辨率”物品。應(yīng)當(dāng)注意目前的3D打印機分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)完全足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），從而不必再進行表面處理。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而3D打印技術(shù)則可以以更快速、更有彈性和更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品。一個桌面尺寸的3D打印機就可以滿足設(shè)計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。3D打印以往常常被用于制造模型和模具，但隨著3D打印機和“墨水”制造技術(shù)的成熟，3D打印正被用于一些產(chǎn)品的直接制造，特別是高價值產(chǎn)品（如人體關(guān)節(jié)和重要設(shè)備零部件等）。

目前3D打印技術(shù)在航運業(yè)已經(jīng)有了成功的應(yīng)用。例如通用電氣公司使用3D打印技術(shù)制造的燃油噴嘴，不僅在強度上是傳統(tǒng)技術(shù)制造產(chǎn)品的5倍，而且重量減輕了25%；到2020年該公司計劃將整個燃油直噴發(fā)動機30%的零部件通過3D打印技術(shù)制造。

據(jù)悉馬士基油輪已經(jīng)對3D技術(shù)在航運業(yè)的應(yīng)用前景進行了研究，發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)首先可以用來解決整個航運業(yè)所面臨的零部件供應(yīng)鏈頑疾，如果船員可以在船上直接打印出他們急需的零部件，將有效縮短交貨時間，并且將顯著減少備件倉儲、貨品包裝、空運/陸運、報關(guān)通關(guān)以及租船靠泊上貨等環(huán)節(jié)的成本，同時原先在部分基礎(chǔ)設(shè)施較差的區(qū)域無法提供備品備件的困難也將迎刃而解。其次，3D打印還對航運業(yè)未來的可持續(xù)發(fā)展大有益處，因為傳統(tǒng)的消減制造過程中每次鉆孔、每次切削都在浪費原材料和金錢，而使用3D增量打印技術(shù)，不僅可以靈活地制造出那些具有獨特結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品或零部件，而且還可以實現(xiàn)原材料和金錢的“零浪費”。

與一臺單價2．5萬美元的塑料材質(zhì)打印機相比，雖然目前一臺金屬材質(zhì)3D打印機的價格高達100萬美元，但隨其在工業(yè)界的不斷推廣和技術(shù)的進步，有理由相信價格將快速下降到中高端應(yīng)用級水平（但不要期望其可以替代常規(guī)生產(chǎn)），那么3D打印技術(shù)將會對航運和相關(guān)制造業(yè)帶來哪些變化和挑戰(zhàn)呢？

一是金屬“墨水”產(chǎn)業(yè)將迎來大發(fā)展，這也是新材料工業(yè)未來的一個重點發(fā)展領(lǐng)域。船用設(shè)備零部件不僅形狀上千奇百態(tài)，更重要的是其物理特性，如硬度、強度、耐磨性、耐壓性、高溫塑性等更是變化無窮。從現(xiàn)實可能性和經(jīng)濟性來看，我們不可能期望同時供應(yīng)和在船上或集中供應(yīng)站存儲成千上萬種的“金屬墨水”，未來的思路可能是一種“雞尾酒”技術(shù)，類似于利用三原色不同比例調(diào)和可產(chǎn)生各種顏色一樣，科學(xué)家需要找出滿足最基本“原性能”的“墨水”，根據(jù)廠家提供的“秘方”進行調(diào)和，然后直接注入3D打印機進行打印制造。

二是重要零部件將從“實物”供應(yīng)變?yōu)椤皵?shù)字虛擬”供應(yīng)。生產(chǎn)商家和零部件服務(wù)商將從目前的全部實物供應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐讚p易壞零部件的數(shù)字虛擬供應(yīng)，也就是向需求方發(fā)送一個包括三維零部件形狀數(shù)據(jù)和材質(zhì)“秘方”的數(shù)據(jù)包，然后直接打印制造和安裝使用。我們預(yù)測3D可打印的零部件種類和數(shù)量將逐漸增加，但受“墨水”材質(zhì)種類研發(fā)的供應(yīng)限制，將主要以一些材質(zhì)和性能要求比較單一的零部件為主。

三是知識產(chǎn)權(quán)保護和分享將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。常規(guī)通用型零部件以外的特種設(shè)備及重要零部件，在實現(xiàn)3D打印之后，其知識產(chǎn)權(quán)保護將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。一種新型的基于付費之后的知識產(chǎn)權(quán)臨時授權(quán)模式必將營運而生，也就是任何人都可能得到形狀和材質(zhì)秘方數(shù)據(jù)包，但是如果不付費，供應(yīng)商將不會向3D打印機發(fā)出具有一定“時效”的臨時性授權(quán)指令，該打印機沒有授權(quán)或授權(quán)過期，將不能執(zhí)行打印操作，從而實現(xiàn)知識產(chǎn)權(quán)和供應(yīng)商利益的保護。

四是產(chǎn)品質(zhì)量檢驗?zāi)Ｊ綄⒈黄绒D(zhuǎn)變和創(chuàng)新?，F(xiàn)有的零部件產(chǎn)品檢驗?zāi)Ｊ绞怯蓹z驗機構(gòu)對產(chǎn)品執(zhí)行必要的實驗和現(xiàn)場檢驗，當(dāng)其滿足要求后，由檢驗機構(gòu)簽發(fā)證書以證明其質(zhì)量滿足預(yù)定使用質(zhì)量標(biāo)準。而3D打印制造出現(xiàn)之后，特別是直接在航行于海中的船舶上打印制造時，驗船師無法到現(xiàn)場驗證和檢驗。所以檢驗控制模式可能要分解為3D打印機質(zhì)量的認證、打印材質(zhì)即“墨水”質(zhì)量的認證和產(chǎn)品數(shù)字模型及配方的認證。

五是零部件供應(yīng)和服務(wù)模式將迎來新模式。受區(qū)域和成本的限制，無法建立全球服務(wù)網(wǎng)絡(luò)一直是設(shè)備生產(chǎn)廠商感到頭疼的問題，特別對處于發(fā)展初期的中小型設(shè)備生產(chǎn)商相對于知名老牌生產(chǎn)商是一個明顯的競爭劣勢，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)將為逐步解決這個問題帶來曙光。與此同時現(xiàn)有龐大的分布于全球各港口的設(shè)備供應(yīng)代理商將面臨逐步邊緣化的挑戰(zhàn)，部分依然采用現(xiàn)有商業(yè)模式的代理商將被迫關(guān)張。

因此，3D打印技術(shù)將進一步促進“分散制造”的優(yōu)化，同時提高現(xiàn)有分散制造的個性化定制水平及服務(wù)響應(yīng)速度，進而影響船用產(chǎn)品配套及相關(guān)行業(yè)的格局，并促進世界航運的發(fā)展。