3D打印技術在船舶領域的應用

對于船舶行業(yè)來說,，3D打印可以算得上是一門非常新的技術,，就目前而言,，實際應用并不多,，不過可以確定的是,，3D打印技術作為制造業(yè)的組成部分,，該技術的發(fā)展必然會對船舶行業(yè)帶來重要影響,，不僅是在設計制造階段，還包括運營階段,，雖然目前還不是很明顯,，但相關各界均已開始對此表示關注。

3D打印在船舶領域的應用

從上述3D打印的優(yōu)缺點來看,，該技術在船舶領域還是有著較好的發(fā)展前景,，可應用的范圍也較大。例如,，在船舶設計階段制作用于驗證和改進設計的模型,；一些小批量、定制型船舶配套產(chǎn)品的制造,；運營階段備件的供應,；艦載無人機、無人艇,，甚至小艇的制造等,。下文將列舉一些3D打印技術在船舶領域的實際應用案例以及相關方對此新技術的態(tài)度和看法,。

馬士基的3D打印備件供應鏈

數(shù)年前，馬士基油輪公司就已在追趕潮流,，試圖利用3D打印這項新技術革新其船舶備件供應鏈,。該公司相關人士稱，對于船員來說處理設備故障是一種常見的挑戰(zhàn),，工作重點在于如何將部件盡可能快地從陸上送到船上,。按照傳統(tǒng)方法，首先要確定需要什么部件,，之后將其運往船舶下一個要經(jīng)過的港口，最后租一艘小艇將所需要的部件送到船上,。之所以要租用小艇,，是因為鑒于油船貨物的危險性，一般是被禁止進入港口主要區(qū)域的,。
除了這些步驟,，事實上，油船還經(jīng)常不能按時到港,，這就使部件的運送工作變得更復雜,。馬士基油輪公司有三分之二的船是以現(xiàn)貨交易的模式運營，因此客戶租船后,，并不會每次都明確在哪里卸貨,，可能是從委內(nèi)瑞拉到休斯頓之間的任何港口，這種不確定性也為備件的運送工作帶來了一些麻煩,。從成本上來看,，算上倉庫貯存、包裝,、空運至港口,、清關，以及租用小艇等一系列費用,，那么僅將1個零件運送至船上的成本就高達5000美元,。另外，一系列運輸過程還會產(chǎn)生不少廢氣排放,，不利于環(huán)保,。總的來看,，我們可以把傳統(tǒng)運送備件到船上這項工作的劣勢歸納為作業(yè)過程復雜,；會產(chǎn)生不低的費用；會對環(huán)境產(chǎn)生不小的影響,，以及延長船舶航行時間這四個方面,。
通常來講,，新興的技術意味著還有很多未知，不過雖然目前還不知道3D打印技術在船上能發(fā)揮到什么程度的作用,，但即使只能打印一小部分零件,，那也會對供應鏈成本帶來不小沖擊。若在船上使用3D打印,，則將免去包裝,、運輸?shù)纫幌盗匈M用，而且還更環(huán)保,。
于是,，馬士基決定在旗下的1艘油船上安裝3D打印機以便船員“打印”出所需要的零件。不過令人遺憾的是,，這次嘗試被默默地擱置在一邊,，馬士基油輪公司也沒有更新進展報道。有報道猜測稱該公司可能更愿意先在岸上使用3D打印機而不是在船上,，這樣至少能縮短備件的交付時間,，當然，前提是這些備件可以被打印出來,。

在發(fā)動機制造領域的應用

由于目前3D打印已能使用金屬材料,，世界上一些知名的大型公司也對此產(chǎn)生了濃厚的興趣，想借此來提升生產(chǎn)速度,，以及花費更低的成本（相對機械加工和模制零件）創(chuàng)造出更復雜,、更輕便的零件。
當然,，新技術的應用一般都需要經(jīng)歷一個發(fā)展,、磨合、適應的階段后才會步上正軌,，在初期肯定會遇到不少問題,，比如備件供應商的許可等。馬士基的計劃是聯(lián)合制造商一起開發(fā)3D打印技術,，這樣不但能最大程度地避免一些法律糾紛,，而且還能使打印出的備件質量更可靠。為其提供發(fā)動機零件的曼恩柴油機和透平公司就對此很感興趣,，認為這是個不可錯過的好時機,。
不過曼恩公司稱，快速制作樣品和較高的設計自由度無疑是現(xiàn)階段3D打印技術的最大優(yōu)勢所在,，但對于連續(xù)生產(chǎn)簡單零部件來說,，這項技術卻并不適用。同時,，由于塑料在發(fā)動機材料成分上的占比較低,，而當前使用金屬材料的3D打印其工作速度卻相對較慢,，因此雖然曼恩公司對于使用金屬材料進行3D打印興趣濃厚，但也承認工作速度慢將抵消該技術的優(yōu)勢,。此外,，支持金屬材料的3D打印機目前也較昂貴，購置成本偏高,。
除了曼恩公司,，其他發(fā)動機制造商對3D打印同樣持謹慎樂觀態(tài)度。如MTU和瓦錫蘭,，這兩家世界知名發(fā)動機廠商都表示暫未使用3D打印技術,。不過這兩家公司很可能走曼恩的合作路線，并對3D打印技術的發(fā)展情況保持密切關注,。
雖然3D打印技術目前還不適合直接用于發(fā)動機零部件的制造,，但也有其他變通模式并已有實際應用，比如打印那些復雜的鑄造模具以生產(chǎn)那些用于發(fā)動機的金屬鑄件,。直接打印金屬部件是下一階段所要攻克的難題，這樣一來就能省去整個鑄造程序,，要知道鑄造過程不但成本高,，而且精度肯定也不如3D打印。

3D打印船模

除了船上,，3D打印技術在岸上的使用也正逐步增多,，比如制造用于常規(guī)水池試驗和檢測空氣動力學的船模。位于美國卡德洛克的海軍水面作戰(zhàn)中心（NSWC）里,，有一團隊已成功利用3D打印技術按比例制作出了1艘尺度大,、結構復雜的美國海軍醫(yī)院船（T-AH 20）模型，將用于測試船上風力氣流的情況以提升直升機作業(yè)時的安全性,。該船模不僅制作精良,，而且比起人工方式明顯更快，因為打印機可以24小時不間斷工作,。團隊工程師稱,，3D打印技術使他們在船模制造上如虎添翼，使他們擁有了前所未有的能力,，可以提供更快,、更精準、更低成本的艦船模型,。不過3D打印艦船模型并不是一樁易事,，除了外觀結構之外，還需要工程師利用動力學,、氣學,、機械,、電氣工程等專業(yè)知識，對模型的每一個細節(jié)進行處理,，以達到標準要求,。

3D打印螺旋槳

2016年初，兩位國外創(chuàng)客嘗試用3D打印機制作船用螺旋槳,，這對于3D打印在螺旋槳制造領域的應用來說是一個不錯的開端,。為了能讓螺旋槳經(jīng)受得住發(fā)動機的強大推力和高鹽的海洋環(huán)境，他們選用了四種材料進行試驗,，分別是ABS,、木質/PLA、聚碳酸酯和碳纖維PLA,。首先,，利用三維掃描獲取螺旋槳的外觀，之后借助CAD軟件進行內(nèi)部設計,，最后打印出4種材質的螺旋槳,。出人意料的是，號稱比金屬的強度還高的碳纖維PLA連陸上測試都沒通過,，ABS和聚碳酸酯打印出的螺旋槳表現(xiàn)尚可,，木質/PLA打印的螺旋槳（涂了漆）的表現(xiàn)卻超乎預期，非常完美,。在實船試驗時,，ABS螺旋槳有輕微的損裂；而木質/PLA螺旋槳卻沒能通過這一輪測試,，在馬達的推進下直接破裂了,。聚碳酸酯的表現(xiàn)非常好，它不僅能經(jīng)受住馬達的強大推力,，還能在惡劣的行船環(huán)境中保存完好,。雖然此次3D打印的螺旋槳功率僅15 hp，但卻表明了選材的重要性,，并不是材料強度越高就越適合,，只有經(jīng)過充分試驗才能找到最合適的。

3D打印的螺旋槳

美國海軍的3D打印機應用

目前美國海軍的部分艦船已經(jīng)配置了3D打印機,，目前主要是用來打印諸如油蓋,、泄水孔塞等小部件，正打算擴大應用范圍,。如此一來的好處就是明顯減少了備件在船上庫存量,。
2014年4月，美國海軍在“Essex”號兩棲攻擊艦上安裝了1臺3D打印機。剛開始只是讓艦員打印一些需要的零部件,，目前則正進行著一個3D打印無人機的項目,，用來測試那些定制無人機執(zhí)行特殊任務時的效果。負責執(zhí)行該項目的是來自于海軍研究學院（Naval Postgraduate School）的研究員,，研究內(nèi)容是現(xiàn)代通信技術和裝配技術能否結合到一起,，從而為船員在執(zhí)行各種任務時組合出相對應的無人機。
該項目的基本理念是,，由陸地上的研究機構根據(jù)需求設計出相應的無人機,，然后傳輸?shù)脚炆系?D打印機進行無人機機體的打印。打印完成后,，船員根據(jù)說明書進行裝配,，將塑料部件和事先在船上準備好的電子元件組裝到一起，就完成了一架無人機的制造工作,。準備好的元件包括發(fā)動機,、無線通信設備、控制器和GPS裝置等,。如此一來,，艦上只需攜帶少量無人機通用電子元器件，并且可根據(jù)不同任務設計打印出不同的無人機機體以配置不同的元件,。比如去年12月份“Essex”號上就3D打印了一架用于反恐作業(yè)的無人機,，該無人機被設計為可搭載一部發(fā)報機和一個微型攝像機，從而能夠將實時視頻傳送給艦員戴著的頭戴式顯示器上,。這樣的方式,，同樣也可以應用于那些途徑危險海域的商船上,。

Essex”號上制作的3D打印無人機

除了海軍,，美國海岸警衛(wèi)隊也在評估3D打印在船上的實際應用。2015年夏天,，海岸警衛(wèi)隊的“Cutter Healy”破冰船上安裝了一臺MakerBot第五代3D打印機,，并出發(fā)前往北極進行為期三周的科學考察。在考察過程中,，這臺3D打印機一直處于忙碌狀態(tài),，解決了許多看似很小，卻很讓人頭疼的問題,，可謂是大顯身手,。比如在離港后，每天都要清洗70多套餐具的洗碗機壞掉了,，這樣就不得不使用紙質的盤子和杯子,，而且還是限量供應，這就讓船員們的就餐感受大打折扣。幸運的是,，船上的3D打印機很快就打印出部件修復了洗碗機,。此后，船員們紛紛利用3D打印來解決自己的技術問題,，于是這臺3D打印機就成為了一個合格的勤雜工,，比如幫助將一部Go Pro攝像機安裝到大型航空氣球上，以及為某個飽受折磨的船員3D打印合腳的鞋墊,，甚至是一些娛樂道具,。相關工程人員希望未來能同時使用多臺不同種類的打印機，這樣就能滿足更多的不同需求,。

英國海軍的3D打印技術應用

5年前,，英國南安普敦大學宣布成功設計并放飛了世界上第一架3D打印無人機“SULSA”，翼展1.5米,，螺旋槳驅動,。在經(jīng)過一系列改進后，2015年年中,，該型3D打印無人機在英國皇家海軍“River”級巡邏艇“Mersey”號上進行了海試,，地點為多塞特沿岸海域。不過不同于美國在艦上實時3D打印出無人機,，目前SULSA是在陸上進行3D打印,，之后在船上組裝。當前SULSA的四大主體部分都是使用EOS EOSINT P730尼龍激光燒結打印機制作出塑料或者金屬結構,，所有構件之間均沒有扣件,，使用“卡扣固定”技術連接在一起，因此幾分鐘就可以完成全部組裝工作并且無需任何工具,。SULSA的重量只有3kg,，從一個3米長的彈射器上發(fā)射出去，機上裝備了自動駕駛儀,，最高飛行速度約161km/h,。
由于傳統(tǒng)艦載無人機成本較高，一次小小的操作失誤或零部件問題就可能使百萬英鎊沉入海里,。而SULSA的成本僅7000英鎊,，雖然只能飛行約40分鐘，但以足夠完成如監(jiān)控海盜,、走私之類的任務,，即便損失也能承受。此次海試基本上就是為了評估“一次性”無人機如何應用于軍事和救援行動,。使用這樣的3D打印無人機不僅可以降低成本,，而且還可以根據(jù)任務性質進行“私人定制”,。

正在進行海試的SULSA

2016年，SULSA正式投入實際應用,，為英國皇家海軍“Protector”號破冰船的南極之行偵察路線,，為該船探索最佳航行路徑。SULSA每次執(zhí)行任務的時間約30分鐘,，飛行速度約96km/h,。雖然機上配備了自動駕駛儀，但在此次任務中船員依舊將通過筆記本電腦對SULSA進行遙控,，傳回機載攝像頭拍攝到的實時畫面,，并且還能回收重復使用。

破冰船船員正在回收SULSA

       英國方面稱,，在五年內(nèi),，海軍艦艇上將配備能夠打印像SULSA這類無人機的多材料3D打印機，到時候,，每一個無人機都將是針對特定任務定制的,。另據(jù)報道，在英國“星點”工程中有一個名為“無畏艦2050”的項目,，其中就提到2050年時,，英國的戰(zhàn)艦的艦體將采用可以變?yōu)榘胪该鞯谋�烯酸材料，以提供全方位的視��,，同時艦上還將安裝3D打印機,，用于制造激光和電磁武器乃至無人機群。

其他應用

除了上述一些應用,，3D打印技術在船舶領域還有許多其他實際應用,，比如新加坡Tru-Marine公司利用3D打印快速維修和制造渦輪增壓器部件、鹿特丹將建3D打印中心以快速維修到港船舶,、3D打印噴水推進小艇模型（除電子設備和電池以外的所有部分）等,。此外，為了提升人們對于3D打印的信心,，消除對于3D打印產(chǎn)品質量的疑慮,，英國勞氏船級社已于2016年1月7日發(fā)布了3D打印全球認證標準,。

3D打印的噴推小艇模型及噴推部件

從這些案例可以看出,，3D打印技術的高精度、高自由度,、用料省,、成型便捷、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢對于船舶行業(yè)來說有著不小的吸引力,，并且已對船舶的設計,、建造、運營、維修等各個階段產(chǎn)生了影響,。

延伸閱讀：
Flirtey公司完成美國首次3D打印無人機船-岸送貨