3D打印技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用

對(duì)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(shù)，就目前而言,，實(shí)際應(yīng)用并不多,，不過可以確定的是，3D打印技術(shù)作為制造業(yè)的組成部分,，該技術(shù)的發(fā)展必然會(huì)對(duì)船舶行業(yè)帶來重要影響,，不僅是在設(shè)計(jì)制造階段，還包括運(yùn)營(yíng)階段,，雖然目前還不是很明顯,，但相關(guān)各界均已開始對(duì)此表示關(guān)注。

3D打印在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用

從上述3D打印的優(yōu)缺點(diǎn)來看,，該技術(shù)在船舶領(lǐng)域還是有著較好的發(fā)展前景,，可應(yīng)用的范圍也較大。例如,，在船舶設(shè)計(jì)階段制作用于驗(yàn)證和改進(jìn)設(shè)計(jì)的模型,；一些小批量,、定制型船舶配套產(chǎn)品的制造,；運(yùn)營(yíng)階段備件的供應(yīng)；艦載無人機(jī),、無人艇,，甚至小艇的制造等。下文將列舉一些3D打印技術(shù)在船舶領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用案例以及相關(guān)方對(duì)此新技術(shù)的態(tài)度和看法,。

馬士基的3D打印備件供應(yīng)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(xiàng)新技術(shù)革新其船舶備件供應(yīng)鏈。該公司相關(guān)人士稱,，對(duì)于船員來說處理設(shè)備故障是一種常見的挑戰(zhàn),，工作重點(diǎn)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(yùn)往船舶下一個(gè)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?yàn)殍b于油船貨物的危險(xiǎn)性，一般是被禁止進(jìn)入港口主要區(qū)域的,。
除了這些步驟,，事實(shí)上，油船還經(jīng)常不能按時(shí)到港,，這就使部件的運(yùn)送工作變得更復(fù)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(yùn)營(yíng)，因此客戶租船后,，并不會(huì)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(yùn)送工作帶來了一些麻煩,。從成本上來看,，算上倉(cāng)庫(kù)貯存、包裝,、空運(yùn)至港口,、清關(guān)，以及租用小艇等一系列費(fèi)用,，那么僅將1個(gè)零件運(yùn)送至船上的成本就高達(dá)5000美元,。另外，一系列運(yùn)輸過程還會(huì)產(chǎn)生不少?gòu)U氣排放,，不利于環(huán)保,。總的來看,，我們可以把傳統(tǒng)運(yùn)送備件到船上這項(xiàng)工作的劣勢(shì)歸納為作業(yè)過程復(fù)雜,；會(huì)產(chǎn)生不低的費(fèi)用；會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不小的影響,，以及延長(zhǎng)船舶航行時(shí)間這四個(gè)方面,。
通常來講，新興的技術(shù)意味著還有很多未知，不過雖然目前還不知道3D打印技術(shù)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(huì)對(duì)供應(yīng)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(yùn)輸?shù)纫幌盗匈M(fèi)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(jī)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?cái)R置在一邊,，馬士基油輪公司也沒有更新進(jìn)展報(bào)道。有報(bào)道猜測(cè)稱該公司可能更愿意先在岸上使用3D打印機(jī)而不是在船上,，這樣至少能縮短備件的交付時(shí)間,，當(dāng)然，前提是這些備件可以被打印出來,。

在發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的應(yīng)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(duì)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(fèi)更低的成本（相對(duì)機(jī)械加工和模制零件）創(chuàng)造出更復(fù)雜,、更輕便的零件。
當(dāng)然,，新技術(shù)的應(yīng)用一般都需要經(jīng)歷一個(gè)發(fā)展,、磨合、適應(yīng)的階段后才會(huì)步上正軌,，在初期肯定會(huì)遇到不少問題,，比如備件供應(yīng)商的許可等。馬士基的計(jì)劃是聯(lián)合制造商一起開發(fā)3D打印技術(shù),，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(zhì)量更可靠。為其提供發(fā)動(dòng)機(jī)零件的曼恩柴油機(jī)和透平公司就對(duì)此很感興趣,，認(rèn)為這是個(gè)不可錯(cuò)過的好時(shí)機(jī),。
不過曼恩公司稱，快速制作樣品和較高的設(shè)計(jì)自由度無疑是現(xiàn)階段3D打印技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)所在,，但對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)簡(jiǎn)單零部件來說,，這項(xiàng)技術(shù)卻并不適用。同時(shí),，由于塑料在發(fā)動(dòng)機(jī)材料成分上的占比較低,，而當(dāng)前使用金屬材料的3D打印其工作速度卻相對(duì)較慢，因此雖然曼恩公司對(duì)于使用金屬材料進(jìn)行3D打印興趣濃厚,，但也承認(rèn)工作速度慢將抵消該技術(shù)的優(yōu)勢(shì),。此外，支持金屬材料的3D打印機(jī)目前也較昂貴,，購(gòu)置成本偏高,。
除了曼恩公司，其他發(fā)動(dòng)機(jī)制造商對(duì)3D打印同樣持謹(jǐn)慎樂觀態(tài)度,。如MTU和瓦錫蘭,，這兩家世界知名發(fā)動(dòng)機(jī)廠商都表示暫未使用3D打印技術(shù)。不過這兩家公司很可能走曼恩的合作路線,，并對(duì)3D打印技術(shù)的發(fā)展情況保持密切關(guān)注,。
雖然3D打印技術(shù)目前還不適合直接用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造，但也有其他變通模式并已有實(shí)際應(yīng)用,，比如打印那些復(fù)雜的鑄造模具以生產(chǎn)那些用于發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(shù)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(yàn)和檢測(cè)空氣動(dòng)力學(xué)的船模。位于美國(guó)卡德洛克的海軍水面作戰(zhàn)中心（NSWC）里,，有一團(tuán)隊(duì)已成功利用3D打印技術(shù)按比例制作出了1艘尺度大,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的美國(guó)海軍醫(yī)院船（T-AH 20）模型，將用于測(cè)試船上風(fēng)力氣流的情況以提升直升機(jī)作業(yè)時(shí)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?yàn)榇蛴C(jī)可以24小時(shí)不間斷工作,。團(tuán)隊(duì)工程師稱,，3D打印技術(shù)使他們?cè)诖Ｖ圃焐先缁⑻硪恚顾麄儞碛辛饲八从械哪芰�,，可以提供更快,、更精�?zhǔn)、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(jié)構(gòu)之外，還需要工程師利用動(dòng)力學(xué),、氣學(xué),、機(jī)械、電氣工程等專業(yè)知識(shí)，對(duì)模型的每一個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行處理,，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,。

3D打印螺旋槳

2016年初，兩位國(guó)外創(chuàng)客嘗試用3D打印機(jī)制作船用螺旋槳,，這對(duì)于3D打印在螺旋槳制造領(lǐng)域的應(yīng)用來說是一個(gè)不錯(cuò)的開端,。為了能讓螺旋槳經(jīng)受得住發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)大推力和高鹽的海洋環(huán)境，他們選用了四種材料進(jìn)行試驗(yàn),，分別是ABS,、木質(zhì)/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(jìn)行內(nèi)部設(shè)計(jì),，最后打印出4種材質(zhì)的螺旋槳,。出人意料的是，號(hào)稱比金屬的強(qiáng)度還高的碳纖維PLA連陸上測(cè)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(zhì)/PLA打印的螺旋槳（涂了漆）的表現(xiàn)卻超乎預(yù)期，非常完美,。在實(shí)船試驗(yàn)時(shí),，ABS螺旋槳有輕微的損裂；而木質(zhì)/PLA螺旋槳卻沒能通過這一輪測(cè)試,，在馬達(dá)的推進(jìn)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(dá)的強(qiáng)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(qiáng)度越高就越適合,，只有經(jīng)過充分試驗(yàn)才能找到最合適的。

3D打印的螺旋槳

美國(guó)海軍的3D打印機(jī)應(yīng)用

目前美國(guó)海軍的部分艦船已經(jīng)配置了3D打印機(jī),，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(kuò)大應(yīng)用范圍,。如此一來的好處就是明顯減少了備件在船上庫(kù)存量,。
2014年4月，美國(guó)海軍在“Essex”號(hào)兩棲攻擊艦上安裝了1臺(tái)3D打印機(jī),。剛開始只是讓艦員打印一些需要的零部件,，目前則正進(jìn)行著一個(gè)3D打印無人機(jī)的項(xiàng)目,，用來測(cè)試那些定制無人機(jī)執(zhí)行特殊任務(wù)時(shí)的效果。負(fù)責(zé)執(zhí)行該項(xiàng)目的是來自于海軍研究學(xué)院（Naval Postgraduate School）的研究員,，研究?jī)?nèi)容是現(xiàn)代通信技術(shù)和裝配技術(shù)能否結(jié)合到一起,，從而為船員在執(zhí)行各種任務(wù)時(shí)組合出相對(duì)應(yīng)的無人機(jī)。
該項(xiàng)目的基本理念是,，由陸地上的研究機(jī)構(gòu)根據(jù)需求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的無人機(jī),，然后傳輸?shù)脚炆系?D打印機(jī)進(jìn)行無人機(jī)機(jī)體的打印,。打印完成后,，船員根據(jù)說明書進(jìn)行裝配，將塑料部件和事先在船上準(zhǔn)備好的電子元件組裝到一起,，就完成了一架無人機(jī)的制造工作,。準(zhǔn)備好的元件包括發(fā)動(dòng)機(jī)、無線通信設(shè)備,、控制器和GPS裝置等,。如此一來，艦上只需攜帶少量無人機(jī)通用電子元器件,，并且可根據(jù)不同任務(wù)設(shè)計(jì)打印出不同的無人機(jī)機(jī)體以配置不同的元件,。比如去年12月份“Essex”號(hào)上就3D打印了一架用于反恐作業(yè)的無人機(jī)，該無人機(jī)被設(shè)計(jì)為可搭載一部發(fā)報(bào)機(jī)和一個(gè)微型攝像機(jī),，從而能夠?qū)?shí)時(shí)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(yīng)用于那些途徑危險(xiǎn)海域的商船上,。

Essex”號(hào)上制作的3D打印無人機(jī)

除了海軍,，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)也在評(píng)估3D打印在船上的實(shí)際應(yīng)用。2015年夏天,，海岸警衛(wèi)隊(duì)的“Cutter Healy”破冰船上安裝了一臺(tái)MakerBot第五代3D打印機(jī),，并出發(fā)前往北極進(jìn)行為期三周的科學(xué)考察。在考察過程中,，這臺(tái)3D打印機(jī)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(jī)壞掉了,，這樣就不得不使用紙質(zhì)的盤子和杯子,，而且還是限量供應(yīng)，這就讓船員們的就餐感受大打折扣,。幸運(yùn)的是,，船上的3D打印機(jī)很快就打印出部件修復(fù)了洗碗機(jī),。此后，船員們紛紛利用3D打印來解決自己的技術(shù)問題,，于是這臺(tái)3D打印機(jī)就成為了一個(gè)合格的勤雜工,，比如幫助將一部Go Pro攝像機(jī)安裝到大型航空氣球上，以及為某個(gè)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(guān)工程人員希望未來能同時(shí)使用多臺(tái)不同種類的打印機(jī)，這樣就能滿足更多的不同需求,。

英國(guó)海軍的3D打印技術(shù)應(yīng)用

5年前,，英國(guó)南安普敦大學(xué)宣布成功設(shè)計(jì)并放飛了世界上第一架3D打印無人機(jī)“SULSA”，翼展1.5米,，螺旋槳驅(qū)動(dòng),。在經(jīng)過一系列改進(jìn)后，2015年年中,，該型3D打印無人機(jī)在英國(guó)皇家海軍“River”級(jí)巡邏艇“Mersey”號(hào)上進(jìn)行了海試,，地點(diǎn)為多塞特沿岸海域。不過不同于美國(guó)在艦上實(shí)時(shí)3D打印出無人機(jī),，目前SULSA是在陸上進(jìn)行3D打印,，之后在船上組裝。當(dāng)前SULSA的四大主體部分都是使用EOS EOSINT P730尼龍激光燒結(jié)打印機(jī)制作出塑料或者金屬結(jié)構(gòu),，所有構(gòu)件之間均沒有扣件,，使用“卡扣固定”技術(shù)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(gè)3米長(zhǎng)的彈射器上發(fā)射出去，機(jī)上裝備了自動(dòng)駕駛儀,，最高飛行速度約161km/h,。
由于傳統(tǒng)艦載無人機(jī)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(wàn)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(wù),，即便損失也能承受。此次海試基本上就是為了評(píng)估“一次性”無人機(jī)如何應(yīng)用于軍事和救援行動(dòng),。使用這樣的3D打印無人機(jī)不僅可以降低成本,，而且還可以根據(jù)任務(wù)性質(zhì)進(jìn)行“私人定制”。

正在進(jìn)行海試的SULSA

2016年,，SULSA正式投入實(shí)際應(yīng)用,，為英國(guó)皇家海軍“Protector”號(hào)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(wù)的時(shí)間約30分鐘,，飛行速度約96km/h,。雖然機(jī)上配備了自動(dòng)駕駛儀，但在此次任務(wù)中船員依舊將通過筆記本電腦對(duì)SULSA進(jìn)行遙控,，傳回機(jī)載攝像頭拍攝到的實(shí)時(shí)畫面,，并且還能回收重復(fù)使用。

破冰船船員正在回收SULSA

英國(guó)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(jī)的多材料3D打印機(jī)，到時(shí)候,，每一個(gè)無人機(jī)都將是針對(duì)特定任務(wù)定制的,。另?yè)?jù)報(bào)道,，在英國(guó)“星點(diǎn)”工程中有一個(gè)名為“無畏艦2050”的項(xiàng)目,，其中就提到2050年時(shí)，英國(guó)的戰(zhàn)艦的艦體將采用可以變?yōu)榘胪该鞯谋┧岵牧�,，以提供全方位的視野,，同時(shí)艦上還將安裝3D打印機(jī)，用于制造激光和電磁武器乃至無人機(jī)群,。

其他應(yīng)用

除了上述一些應(yīng)用,，3D打印技術(shù)在船舶領(lǐng)域還有許多其他實(shí)際應(yīng)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(jìn)小艇模型（除電子設(shè)備和電池以外的所有部分）等。此外,，為了提升人們對(duì)于3D打印的信心,，消除對(duì)于3D打印產(chǎn)品質(zhì)量的疑慮，英國(guó)勞氏船級(jí)社已于2016年1月7日發(fā)布了3D打印全球認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),。

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(shù)的高精度、高自由度,、用料省,、成型便捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)勢(shì)對(duì)于船舶行業(yè)來說有著不小的吸引力,，并且已對(duì)船舶的設(shè)計(jì),、建造、運(yùn)營(yíng),、維修等各個(gè)階段產(chǎn)生了影響,。

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