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国际金属加工网 2018年04月20日

将2017年定义为航运业的科技年并不为过,区块链、智能船、3D打印……科技将改变航运业的判断已成为业界共识。随着3D打印技术的兴起,“工业革命的第三次浪潮”正在袭来。3D打印技术被认为是推动新一轮工业革命的重要契机。随着“智能制造”和“工业4.0”概念的提出,3D打印技术在船舶制造领域的应用也成为热议话题。

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当前,世界各国纷纷将3D打印技术作为未来产业发展的新增长点。在相关科技水平不断提升的背景下,3D打印技术已成为“中国制造2025”的发展重点,《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》的出台,也代表了国家对增材制造的重视。那么,3D打印技术现阶段在航运业有何实际应用?面临哪些机遇和挑战?中国造船业中3D打印发展前路如何?

航运业试水黑科技

3D打印技术是快速成形技术的一种,又称增材制造。始于20世纪80年代的快速成型技术,其概念则起源于更早的19世纪美国,直到最近几年才逐渐发展成一项热门技术,因此也被称为“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。

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3D打印,是直接从数字模型通过材料堆积来生产三维实体的技术,由于其加工过程省去了开模、削切等中间繁杂流程,因而在小批量、结构复杂的实体加工方面具有得天独厚的优势,据测算可以缩短加工周期70%以上,节省材料90%以上,降低一般制造费用50%以上。“3D打印对航运业未来的可持续发展大有益处”中国船级社总裁办主任周立伟告诉记者,“传统的消减制造过程中每次钻孔、每次切削都在浪费原材料和金钱,而使用3D增量打印技术,不仅可以灵活地制造出那些具有独特结构形式的产品或零部件,而且还可以实现原材料和金钱的‘零浪费’。”

据了解,目前3D打印技术在航运业已经有了成功的应用。去年在荷兰,全球首个3D打印的船用螺旋桨诞生,法国船级社(BV)在测试阶段参与其中,通过严格的试验验证了3D打印螺旋桨的适用性。RAMLab研究人员表示,3D打印技术是制造螺旋桨概念的一个根本改变。采用增材制造,就能打印原则上需要的绝大多数金属零件,这些技术将对未来的供应链造成巨大冲击。3D打印螺旋桨的成功显示了海事领域3D打印技术应用的前景,RAMLab首席执行官AllardCastelein表示这个项目向造船业展示了用于生产船舶部件的3D打印技术的潜力。今年年初,西班牙在造船的过程中也采用了3D打印技术,西班牙最大的军舰建造厂纳万蒂(Navantia)宣布将在西班牙南部的安达卢西亚地区打造一个配备了最前沿技术的造船厂——Shipyard4.0,其中就包括了3D打印技术,根据造船厂总监PabloLopez的说法,“造船厂4.0有明确的目标,即降低成本,缩短工期,提高产品质量和工艺水平,实现公司的竞争力。可以预见,在不久的将来,这项技术将是我们生产的重要组成部分。”

国防科技工业科技成果转化研究中心高级工程师吕德龙认为,作为制造业的组成部分,船舶工业将不可避免地受到3D打印技术的重大影响。首先,该技术将加快船舶工业新产品的开发速度,降低开发成本。由于成型的便利,利用该技术可以更好地验证和改进设计参数和思路,提高设计水平和效率。

除了上述一些应用,3D打印技术在船舶领域还有许多其他实际应用,比如新加坡Tru-Marine公司利用3D打印快速维修和制造涡轮增压器部件、鹿特丹将建3D打印中心以快速维修到港船舶等。由于目前3D打印已能使用金属材料,世界上一些知名的大型公司也对此产生了浓厚的兴趣,想借此来提升生产速度,以及花费更低的成本,创造出更复杂、更轻便的零件。

除了船上,3D打印技术在岸上的使用也明显增多,比如制造用于常规水池试验和检测空气动力学的船模。位于美国卡德洛克的海军水面作战中(NSWC)里,有团队已成功利用3D打印技术按比例制作出了1艘尺度大、结构复杂的美国海军医院船(T-AH20)模型,将用于测试船上风力气流的情况以提升直升机作业时的安全性。该船模不仅制作精良,而且比起人工方式明显更快,因为打印机可以24小时不间断工作。团队工程师称,3D打印技术使他们在船模制造上如虎添翼,可以提供更快、更精准、更低成本的舰船模型。

 

“金刚钻”是否能揽“瓷器活”

按需制作的船用部件,让我们看到了造船业应用3D打印的可能,但不可否认的是,这项技术的发展仍然处在初级阶段,不少业内人士也对3D打印是否能广泛应用于造船与配套业表示出怀疑态度。

对3D打印一直抱有极大关注的曼恩柴油机和透平公司表示,快速制作样品和较高的设计自由度无疑是现阶段3D打印技术的最大优势所在,但对于连续生产简单零部件来说,这项技术却并不适用。同时,由于当前使用金属材料的3D打印工作速度相对较慢,因此曼恩公司虽然对使用金属材料进行3D打印兴趣浓厚,但也承认其工作速度慢抵消了该技术的优势。

3D打印成型虽然便捷,也能极大地缩短产品的研制周期,但这仅针对制作模型或原型产品。目前3D打印技术多用于打印尺寸小、结构较为简单的零件,不能用来打印复杂的系统。此外,金属物件的打印速度也相对较慢,对于如发动机这种金属构件占90%以上的产品来说,目前很难应用于生产线。而且,由于3D打印是一项新技术,目前的精度范围在0.01毫米,远低于传统船舶制造利用“减材制造”所能达到的精度。通过切割实现机械产品的强度、硬度也都远远高于3D打印出的产品。

据了解,3D打印机和打印材料的购置成本也十分高昂,特别是那些支持金属材料的3D打印机。如一台支持金属材料的3D打印机价格约100万美元,而一台工业用的塑料3D打印机仅需两万五千美元。

“船舶制造业是一个广义概念,如果仅仅从大型钢质船舶来讲,我认为3D打印技术不会大规模应用于船舶制造业。钢质船体分段建造,由于体量庞大,3D打印技术会受到严重制约,也无成本优势。”江南造船(集团)有限责任公司总工程师胡可一表示。

此前,安保公司G4S也发出警告称,犯罪团伙正在使用更便宜且更易获取的3D打印技术,威胁着全球航运业。周立伟提醒:“常规通用型零部件以外的特种设备及重要零部件,在实现3D打印之后,其知识产权保护也将面临严峻挑战”。3D打印技术可以降低成本,操作过程也不要求任何专业知识,对于罪犯来说,生产假冒伪劣安全产品比以前任何时候都简单。

对中国来说,3D打印产业发展面临的问题也很多。目前,国内从事3D打印技术研发的科研机构和企业“小而零散,各自为战”,3D打印的系统化、产业化还需一个漫长的过程。中国处于3D打印的起步阶段,产业整体缺乏创新力,而且研发集中在设备上,材料和软件却无法形成配套,短板的存在限制了整个产业的齐头并进与进一步发展。更关键的是,与发达国家相比,中国增材制造产业还存在着关键技术滞后、创新能力不足、高端装备及零部件质量可靠性有待提升、应用广度深度有待提高等一系列问题。

工信部赛迪研究院装备工业研究所增材制造研究室主任李方正博士表示,中国的增材制造产业在原创性技术上仍然相对落后,尽管单个创新团队实力较强,但创新难以形成合力,这带来了重复研究的问题,在很多关键零部件上仍然大量依赖进口。

目前3D打印技术的应用范围非常有限,该技术的研究环境也不是特别成熟。如何扩大3D打印在航运业的应用领域,可能还需要更长时间的探索。

中国制造终将“出海远航”

虽然3D打印技术的发展还面临诸多挑战,但无可否认的是,现在的3D打印技术还有很大的潜力可以发掘,就材料、成本、打印速度等问题而言,必然可以随着技术发展而得到解决。马士基称,现在就对3D打印技术进行全面、长期的影响进行预测还为时过早,有许多因素仍然未知。未来,3D打印在船舶相关领域的应用或许会随着技术的进步而越来越广泛。

交通运输部水运科学研究院研究员谢燮告诉记者,造船业能够使用3D打印技术,从而使得部分重要元件和部件的生产有更高的时效性和经济性。同时,船舶在运行中的维修环节运用3D打印技术,也能够为船东节约不少成本,同时具有更好的时效性,继而维持船舶运输在供应链中服务的稳定性。谢燮认为,3D打印技术使得个性化生产和远程生产成为可能。

近五年来,工业用途的3D打印实现了长足发展,从制作样品和小饰品到完全按需制造,这一转变已被普遍接受,并开始改变整个商业模式。3D打印从“打印图形”向“生产部件”的飞跃,标志着制造业历史上的一个革命性时刻,3D打印的全球化时代或许已经到来。

事实上,我国也已经将以3D打印为首的“增材制造产业”视为制造业发展的重要环节。2017年3D打印产业快速发展,国家相关部门出台了8项对3D打印的支持政策,共涉及的国家部门多达23个。李方正博士介绍,2016年中国增材制造产业规模已达80亿元,其中装备产业占50%左右,材料与服务占另外50%,2017上半年,增材制造产值超过了50亿元。2017年,工信部联合发改委等11部门印发《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》,提出的目标中包括:2020年中国增材制造产业年销售收入超过200亿元,年均增速在30%以上,关键核心技术达到国际同步发展水平。

麦肯锡全球研究院2017年12月发布的《数字时代的中国:打造具有全球竞争力的新经济》报告称,在虚拟现实、自动驾驶汽车、3D打印、机器人无人机和人工智能领域,中国的风投规模位居世界前三名。

在此背景下,我国增材制造的关键技术近年来取得了一系列进展:增材制造的应用领域有所拓宽;普及程度有所扩张;生态体系初步形成;推进产值保持了较高的增长速度……

中船重工经济研究中心曹林在“关于3D打印技术在船舶领域应用的调查报告”中介绍了船舶行业3D打印技术应用情况:从当前看,对于已经成功应用3D打印技术制造的模型和产品,可在船舶工业中大力应用,尤其在研发设计阶段,与传统制造技术形成互补;从中期看,一批船用复杂结构零件、特种零件、合金构件、复合材料构件的3D打印制造及修复技术有望突破,并最终向大型化、批量化方向发展;从长期看,3D打印技术有望引领未來船舶工业的发展方向,推动船舶工业体系的变革。

当前,全球范围内新一轮科技与产业革命正在萌发,世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展的新增长点,全球制造、消费模式开始重塑,通过政策支持、技术规范、政府引导等方式,在社会各界共同努力下,我国航运业增材制造产业将迎来巨大发展的新形势、新机遇。现阶段,造船工业的发展主要是靠要素的投入,如大船坞、大厂房的投入来提高产能。但在国家推动传统制造业升级的同时,造船业也在积极推动数字化造船,如计算机管理、三维建模等。

相信在不久将来,随着数字化、智能化的提高和材料技术的持续发展,3D打印技术终将对我国传统造船业产生革命性的影响。


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