淺談3D 打印技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用

梅夢磊，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)計研究院，廣州 510250；3.63969 部隊，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，有著巨大的應(yīng)用前景。3D 打印是通過噴頭將具有熱塑性的材料熔融，并按照計算機輔助設(shè)計（CAD）文件中定義的路徑逐層堆積、材料冷卻硬化，實現(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）、電子束融化打印（EBM）、選擇性激光燒結(jié)打印（SLS）、選擇性熱燒結(jié)打?。⊿HS）、分層實體制造（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)，國內(nèi)外不少研究機構(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，馬士基和美國海軍已經(jīng)在個別船舶和軍艦上安裝了3D 打印機[4]；2017年，荷蘭達(dá)門船廠3D 打印了世界首個通過船級社認(rèn)證的直徑約1.3 m 的船用螺旋槳；2018 年，美國橡樹嶺國家實驗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)面臨的問題和應(yīng)用方向

2.1 面臨的問題

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。通過分析3D 打印技術(shù)在汽車、建筑、醫(yī)療、航空行業(yè)應(yīng)用中的特點和問題，總結(jié)出要推動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題：

1）打印尺寸

打印機是一個包容性設(shè)備，所打印的產(chǎn)品要小于打印機本身的尺寸，而船舶制造業(yè)面對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。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)制造的長約6 m 的3D 打印鋁塊，這樣的尺寸對于造船行業(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，并已成功投入實際生產(chǎn)，但這種材料費用高昂難以在船舶行業(yè)廣泛使用，尋找性能滿足要求、價格合理的打印材料是需要解決的第二個問題。

3）制造成本

如今國內(nèi)造船產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，國際船市萎靡不振，在這種大環(huán)境下船廠不愿花費精力探索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會：

1）小型船舶的建造

根據(jù)目前市場條件，能使用3D 打印進(jìn)行建造的船舶主要有：用于船池試驗的船模；無人艇；小型玻璃鋼船。以試驗船模為例，傳統(tǒng)船模價格幾千到上萬不等，其制作過程會產(chǎn)生大量粉塵，對工人身體以及環(huán)境都造成不利的影響，而且船模尺寸小，對強度要求較低，應(yīng)用3D 打印技術(shù)有著很大的應(yīng)用潛力。

2）船舶的個性化內(nèi)裝

如游艇這種高附加值船舶，其昂貴的售價主要來自于其獨一無二的內(nèi)裝設(shè)計，即個性化定制。將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于個性化定制將發(fā)揮其特性，快捷地實現(xiàn)各種藝術(shù)造型且成本低廉，同時可采用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格較高，明顯違背市場發(fā)展的趨勢；而玻璃鋼材料的價格相對便宜，同時玻璃鋼船尺度相對較小，對3D 打印機器尺度要求小，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。

目前世界上最大的玻璃鋼3D 打印機，是我國青島尤尼科技有限公司自主研發(fā)的巨型打印機，該打印機的成型空間為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 打印機成型空間，可以實現(xiàn)小型玻璃鋼船的直接建造，但對于船長超過12 m 的船型則無能為力。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)，但因為玻璃鋼材料無法焊接的特點，分段建筑技術(shù)從沒有應(yīng)用于玻璃鋼船舶建造上，所以首要解決的問題就是如何實現(xiàn)分段的對接。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；船體板的對接，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，增強了該處的剛度，同時增加了膠接面積。

圖2 分段對接接頭（左為船體板接頭，右為強構(gòu)件接頭）

膠接具有良好的壓縮強度、剪切強度和抗疲勞強度，但其抗剝離強度較低。船舶在水上航行時受到外部風(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)強度要求，因此強力構(gòu)件的接頭處需要進(jìn)一步加強，這些接頭多采用機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）膠接過程需注意的問題

在進(jìn)行膠接過程中，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。實驗表明，膠粘毛邊的存在改變了端頭受力狀態(tài)，對膠層起到保護(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度[7]，因此在施工過程中，要注意對膠粘毛邊的保留與保護(hù)。

龍骨接頭除了要實施膠接外，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，推薦在分段打印時就預(yù)留好安裝孔；如果條件不允許，則可直接在對接時打孔，打孔時要注意避免造成局部裂紋。在對接之后，插入插銷，并向孔中灌注粘接劑，等粘接劑達(dá)到預(yù)定強度即完成合攏。

3.3 分段打印

3.3.1 龍骨等強力構(gòu)件打印

傳統(tǒng)玻璃鋼船建造工藝對龍骨等強構(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，樹脂材料滲入泡沫中使泡沫具有較高的強度，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)強度要求。3D打印為單一材料制造，無法采用上述工藝，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，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)強度也不同，在實際生產(chǎn)中如何確定強力構(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，增加成本和打印時間。以下以某82 呎游艇中部分段為對象，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 打印機配套的預(yù)處理軟件中計算獲得實驗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，以減少模型縮小對實驗結(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）支撐所帶來的材料和時間增加率，大體成線性關(guān)系；

2）倒扣放置會使支撐大量增加：3D 打印的成型是自底而上的順序，遇到大角度懸空部分時材料將無法有效的堆積，必須通過打印大量支撐來保證材料的有效堆積，懸空部分越大所要求的支撐越多，倒扣放置時整個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，都會一定程度的增加支撐：正放時，支撐布置于打印平臺與船底間的空間中，以保證船體部分的有效成型，兩種支撐形式無太大區(qū)別；豎放時，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 支撐帶來的材料增量、時間增量遠(yuǎn)小于類型1，但對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)行對接，但支撐所帶來的材料增量與打印時間增量較大；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 形式時支撐帶來的影響大大減小；兩種布置形式各有優(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?。基于對其他行業(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，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，并對分段打印過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。