增材制造：引領(lǐng)船舶工業(yè)“新蝶變”,？

12月14日，國(guó)家十二部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017~2020年）》,，將航空,、航天、船舶等列為實(shí)現(xiàn)增材制造技術(shù)規(guī)�,；瘧�(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域,。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為，相對(duì)常規(guī)的減材制造來(lái)說(shuō),，增材制造具有自身的優(yōu)勢(shì),，也有自身的局限性和需要突破的瓶頸。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低,，在船舶領(lǐng)域大力發(fā)展增材制造,，將對(duì)我國(guó)船舶工業(yè)的智能制造以及生產(chǎn)效率和水平的提高起到積極的促進(jìn)作用。

增材制造：“萬(wàn)能”制造還是“補(bǔ)充”制造,？
增材制造（Additive Manufacturing,，AM）是相對(duì)于減材制造（Subtractive Manufacturing，SM）而言的一項(xiàng)技術(shù)。減材制造是在一個(gè)基礎(chǔ)坯料上,，按照工藝路線(xiàn),，用機(jī)床和刀具進(jìn)行切削，使留下的部分成為所需要的型面,，整個(gè)過(guò)程猶如“減法”,；而增材制造是利用數(shù)字化技術(shù)，由零件的三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),，通過(guò)材料的累加,，直接制造出所需零件，整個(gè)過(guò)程是做“加法”,，恰如一個(gè)神奇的生長(zhǎng)過(guò)程，零件從無(wú)到有,，越長(zhǎng)越大,，直至成形。

江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總工程師胡可一表示,，增材制造是制造手段上的創(chuàng)新,，屬于“過(guò)程創(chuàng)新”的范疇，是制造復(fù)雜造型零件比較好的手段,，可明顯提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,。

據(jù)了解，增材制造不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序,，可快速制造出任意復(fù)雜形狀的零件,，是解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成形的有效途徑，而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,，材料越難加工,，其優(yōu)勢(shì)越明顯。在傳統(tǒng)制造行業(yè)中,，通過(guò)采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)單件,、小批量的超規(guī)格產(chǎn)品，能夠有效降低制造難度和成本,。例如,，飛機(jī)零件主要是整體毛坯件和整體薄壁結(jié)構(gòu)件，利用傳統(tǒng)方法成形非常困難,，而增材制造技術(shù)可以解決這一問(wèn)題,，而且能減輕機(jī)體重量，降低制造成本,。我國(guó)自主研制的C919 飛機(jī)大型鈦合金零件的制造就利用了增材制造技術(shù),。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為，增材制造技術(shù)在航空航天行業(yè)中的應(yīng)用方式也完全可以被船舶海工行業(yè)借鑒，其優(yōu)勢(shì)也顯而易見(jiàn),。因?yàn)榇�舶海工裝備中有不少稀有金屬和貴金屬材料的零部件,，增材制造技術(shù)能極大節(jié)省材料的使用；金屬增材制造技術(shù)能將數(shù)據(jù)模型整體打印成形,，避免焊接,，而在海洋高壓容器和深水密封件中，減少焊縫具有十分重要的意義,；對(duì)于高硬度零件,、薄壁類(lèi)零件的加工等具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。胡可一則認(rèn)為,，如果從零件級(jí)的角度來(lái)看,，增材制造應(yīng)用是一個(gè)共性的應(yīng)用，船用設(shè)備中的許多零件都可采用增材制造手段,。

此次發(fā)布的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017~2020年）》明確提出,，將大力推進(jìn)增材制造在船舶與配套設(shè)備領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化,、工藝研制,、在線(xiàn)修復(fù)等的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)船舶及復(fù)雜零件的快速設(shè)計(jì)與優(yōu)化,，推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng),、甲板與艙室機(jī)械等關(guān)鍵零部件及備品備件的直接制造。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示,，增材制造在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用將隨著技術(shù)的進(jìn)步與突破逐步增多,，而這或?qū)⒊蔀槲覈?guó)船舶智能化制造水平大提升的一個(gè)重要契機(jī)。

增材制造：在船舶工業(yè)有多“火”,？

增材制造技術(shù)從20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)以來(lái),，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，目前已趨于成熟并初步形成體系,，并呈現(xiàn)出美國(guó)主導(dǎo),、歐洲協(xié)同發(fā)展、日本追隨,、中國(guó)后發(fā)的基本格局,。國(guó)際上金屬精密數(shù)字化增材制造設(shè)備供應(yīng)商主要有德國(guó)EOS公司、英國(guó)Renishaw公司,、美國(guó)3D Systems公司等,，近年來(lái)，也出現(xiàn)了中國(guó)企業(yè)的身影,。我國(guó)增材制造設(shè)備產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品目前已接近國(guó)外產(chǎn)品水平,，一改此類(lèi)設(shè)備早期依賴(lài)進(jìn)口的局面。

與此同時(shí)，全球?qū)υ霾闹圃煸诖�舶領(lǐng)域的應(yīng)用研究也已取得了較大進(jìn)展,，業(yè)內(nèi)已成功打印出種類(lèi)繁多的產(chǎn)品和零部件,，如螺旋銷(xiāo)、軸瓦,、箱式熱交換器,、螺旋槳等。在韓國(guó),，現(xiàn)代重工宣布在韓國(guó)蔚山設(shè)立蔚山創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)革新中心,。該中心的一項(xiàng)重要任務(wù)，就是研發(fā)增材制造技術(shù),，孵化增材制造相關(guān)的初創(chuàng)企業(yè)�,，F(xiàn)代重工希望通過(guò)增材制造技術(shù)打印船舶構(gòu)件，在生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)省時(shí)間和金錢(qián),，推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步,。在歐洲，羅爾斯·羅伊斯公司已在船用柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)中應(yīng)用了增材制造技術(shù),。該公司全球研究與技術(shù)總監(jiān)保羅·斯坦恩表示，增材制造技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊,，對(duì)于一些制造工藝非常復(fù)雜且難以用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的幾何部件來(lái)說(shuō),，增材制造可能是最好的生產(chǎn)方式。而鹿特丹港RAMLAB增材制造中心則希望利用增材制造技術(shù)為鹿特丹港的大型船舶提供快速維修服務(wù),。該中心曾利用混合增材制造技術(shù)生產(chǎn)了世界首個(gè)通過(guò)船級(jí)社認(rèn)證的船用螺旋槳,。

在船舶增材制造方面，中國(guó)是后來(lái)者,，但近年來(lái)技術(shù)進(jìn)步迅速,。中船重工經(jīng)濟(jì)研究中心高級(jí)分析師曹林介紹說(shuō)，我國(guó)船舶工業(yè)體系內(nèi)已開(kāi)展了增材制造金屬粉體材料,、金屬激光燒結(jié)和電子束燒結(jié)成型工藝,、增材制造設(shè)備等方面的研究工作，并取得了一系列成果,。

據(jù)了解,，中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司下屬一家研究所對(duì)多種金屬增材制造材料特性進(jìn)行了研究，包括不銹鋼,、高/低碳合金鋼,、鎳基合金、鈷基合金,、鈦合金等,。通過(guò)多年項(xiàng)目研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，目前，該所已開(kāi)發(fā)了低碳合金鋼,、高碳鋼,、鈦合金等增材制造工藝，其中,，合金鋼增材制備技術(shù)可以獲得強(qiáng)度達(dá)到500兆帕,、規(guī)格大于300毫米×300毫米×300毫米的部件，增材修復(fù)部件體積可達(dá)2米×2米×1米,，結(jié)合強(qiáng)度最高可達(dá)800兆帕,；研制了直接送粉工藝，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維曲面制造,。中船重工另一家研究所則成功研制了TC4,、Ti80等鈦合金粉末，粉末質(zhì)量,、性能達(dá)到增材制造要求,；開(kāi)展了空間曲面增材制造工藝、激光燒結(jié)工藝,、鈦合金電子束熔絲沉積制造工藝研究,，開(kāi)展了鈦合金電子束熔絲沉積工藝初步研究，采用電子束熔絲沉積制造技術(shù)制備了典型一維和二維形狀材料,。中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司下屬一家研究所正利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)鈦合金葉輪,，并進(jìn)行螺旋槳的試制。江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院則通過(guò)增材制造技術(shù)制造了船用液化天然氣（LNG）汽化器,，該LNG汽化器能夠完全滿(mǎn)足超高壓,、超低溫的運(yùn)行條件，且制造成本和周期大幅減少,。

曹林介紹說(shuō),，在我國(guó)最新開(kāi)展的船用低速機(jī)工程研制項(xiàng)目中，也包含了柴油機(jī)核心部件增材制造研究的內(nèi)容,。

增材制造：對(duì)船舶工業(yè)影響幾何,？
目前，增材制造技術(shù)已應(yīng)用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),、驗(yàn)證,、制造和維修等環(huán)節(jié)，一些企業(yè)通過(guò)增材制造技術(shù)成功解決了生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題,，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,。曹林介紹說(shuō)，在我國(guó),，有單位自1997年建立激光加工中心以來(lái),，已多次為船用壓縮機(jī)缸體,、船用齒輪、主機(jī)缸套進(jìn)行了激光強(qiáng)化,；有單位通過(guò)采用激光熔覆技術(shù),，成功解決了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐燒蝕和缸套耐磨性不足的問(wèn)題；有單位在自主研制系列船用柴油機(jī)的過(guò)程中,，將增材制造技術(shù)用于鑄件新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及輔助傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)制造,；有單位與高校合作，開(kāi)展了船用燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣類(lèi)零件增材制造,；有單位較早采用增材制造技術(shù)進(jìn)行精密無(wú)余量澆鑄蠟?zāi)Ｖ圃�,，制造了直徑約為80毫米的渦輪增壓器用離心壓氣機(jī)葉輪等。

“一般情況下,，由于省去了復(fù)雜的模具開(kāi)發(fā)過(guò)程,，增材制造可以大幅縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期，加快產(chǎn)品研制進(jìn)度,�,！辈芰直硎荆�“增材制造具備‘貼近用戶(hù)’（定制化,、本地化生產(chǎn)和交付）的潛能,，可在一定程度上改變現(xiàn)有的生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)和物流方式,，相信隨著技術(shù)進(jìn)步,，增材制造技術(shù)的應(yīng)用有望進(jìn)一步簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品售后服務(wù)的響應(yīng)速度,。”

當(dāng)然,，作為一項(xiàng)正在發(fā)展中的制造技術(shù),，增材制造的成熟度還遠(yuǎn)不能同金屬切削、鑄,、鍛,、焊、粉末冶金等制造技術(shù)相比,。胡可一認(rèn)為,，要實(shí)現(xiàn)增材制造技術(shù)在船舶領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用，未來(lái)在共性應(yīng)用方面需要解決4個(gè)問(wèn)題：一是材料特性要適應(yīng)增材制造的特點(diǎn),，如要保證材料固化后強(qiáng)度的均勻性和形狀的保持性等,；二是純?cè)霾闹圃斓男螤罹�度保證問(wèn)題；三是規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制造過(guò)程中材料和性能不均勻性的接受程度和檢驗(yàn)手段問(wèn)題,；四是智能化的增材制造設(shè)備的開(kāi)發(fā)和研制問(wèn)題,，未來(lái)應(yīng)研制專(zhuān)用型還是泛用型設(shè)備,？“在船舶增材制造的個(gè)性應(yīng)用方面還需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：一是船體結(jié)構(gòu)形式問(wèn)題，船舶存在不少薄殼框架結(jié)構(gòu),，有很多封閉空間,，增材制造如何實(shí)現(xiàn)？二是船體結(jié)構(gòu)材料問(wèn)題,，目前來(lái)看,，鋼板材料并不適合，而復(fù)合材料存在成本和強(qiáng)度方面的短板,。三是增材制造設(shè)備的尺度問(wèn)題,，如果增材制造一個(gè)超大零件，那制造設(shè)備豈不會(huì)像一臺(tái)龍門(mén)吊那么大,？,！四是船舶規(guī)范問(wèn)題，船舶工業(yè)應(yīng)用增材制造技術(shù),，必須遵守一定的測(cè)試和評(píng)價(jià)規(guī)范,，船廠(chǎng)要進(jìn)行很多驗(yàn)證試驗(yàn)和計(jì)算，還要被船東接受,，會(huì)產(chǎn)生時(shí)間,、資金方面的成本和風(fēng)險(xiǎn)�,！焙�可一說(shuō),。

目前，增材制造更多還是作為傳統(tǒng)制造方式的補(bǔ)充,，主要應(yīng)用于“加工難,、成本高、批量小”的產(chǎn)品或部件,。曹林認(rèn)為,，增材制造技術(shù)未來(lái)能否規(guī)模化應(yīng)用主要取決于兩個(gè)方面,，一方面,，是增材制造技術(shù)本身的發(fā)展，即能否按要求制造出合格的產(chǎn)品,，目前,，若要完全滿(mǎn)足船舶工業(yè)需求，增材制造需要逐步突破從材料,、工藝,、軟件、核心器件到裝備的諸多關(guān)鍵技術(shù),；另一方面,，增材制造與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式在成本方面的比較,，這一成本不僅包括生產(chǎn)設(shè)備和物料的一次性投入，還包括覆蓋研發(fā),、生產(chǎn),、維修保障等多要素的綜合比較。

業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示,，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及國(guó)家鼓勵(lì)政策的相繼推出,，增材制造技術(shù)在船舶領(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)用的條件將日益成熟,，增材制造技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈也將日益完善,，并最終推動(dòng)我國(guó)船舶工業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。

來(lái)源：中國(guó)船舶新聞網(wǎng)