3D打印船舶螺旋槳的標志性意義

本刊記者 劉 蕭

3D打印船舶螺旋槳的標志性意義

本刊記者 劉 蕭

在不久之前舉辦的2017德國漢諾威工業展上，來自荷蘭的RAMLAB實驗室向海事界展示了其與軟件巨頭Autodesk合作利用增減材復合加工技術制造的船舶螺旋槳。不僅如此，兩家公司還向外界透露，今夏將對螺旋槳進行包括系柱拉力和碰撞測試等全面試驗，目標是打造出世界上第一個通過船級社認證的3D打印船用螺旋槳。如此具體且清晰的計劃，似乎也正向人們透露出3D打印即將融入船舶制造業的訊號。

挑戰原有模式

3D打印技術對于船舶行業其實已經并不陌生。軍船方面，早在2014年4月，美國海軍就在“Essex”

號兩棲攻擊艦上安裝了1臺3D打印機。起初這一設備只被用于方便艦員打印一些需要的零部件。而如今美國海軍則將其用途“升級”，嘗試進行3D打印無人機項目，用于測試那些定制無人機執行特殊任務時的效果。民船方面，2014年，馬士基也積極推動旗下油輪公司率先“試水”，計劃將3D打印的設想在實踐中進行嘗試。盡管當前這些3D打印耗材大多還拘泥于PLA(生物降解塑料聚乳酸)、ABS樹脂、橡膠、石膏、塑料、可黏結的粉末顆粒等方面，距離業內期待的金屬增材制造技術目標還有距離，但業內對這一技術的熱情卻從未減少。

至于為何，記者在采訪中得知，迫于解決遠洋船舶在航行期間零件受損后短期內較難獲得廉價、便捷的更換服務或是原因之一。一位輪機長也向記者談對該問題的看法。首先，對于遠洋船舶而言，各個部件的壽命、使用頻率和強度不盡相同，同時船員隊伍有時也相對不固定，此類隨機因素不免導致備件耗用情況難以事先預知。其次，有的船公司船舶機型比較多，又增加了船舶備件管理的復雜性，導致了有時備件配備不足的現象，造成船舶維護保養難以正常進行，輕則耽誤船期，給公司造成一定的經濟損失，重則影響船舶安全航行。而運用3D打印技術解決這些問題卻很“對癥”。快速打印出的相應備件，一方面可以解決受損的船舶設備故障，另一方面，3D打印技術在實船上應用，也可以進一步減少航運企業船舶備件的種類和數量，整體來看具有一定的可行性。

除此以外，采訪中也有不少業內人士認為，如果未來3D打印技術能夠成熟到在船上直接打印出急需的零部件，那么也將有效縮短備件交貨時間，并顯著減少備件倉儲、貨品包裝、空運（陸運）、報關通關以及租船靠泊上貨等環節的成本。同時，技術的應用也將倒逼現有的分布于全球各港口的設備供應代理商面對邊緣化挑戰，為現有的船舶配套生產供應服務模式帶來新的挑戰。

對于馬士基決定在旗下一艘油船上安裝3D打印機的做法，業內人士分析認為，按照傳統方法，油船首先要確定受損部件并報告公司，公司要將準備好的部件運往油船下一個要經過的港口，最后租一艘小艇將所需要的部件送到船上。之所以需要租用小艇，是鑒于油船貨物具備危險性，一般會被禁止進入港口主要區域。不僅如此,油船不能按時到港也時有發生，這也使得部件的運送工作變得更復雜。最后僅將某一零件運送至船上就需要倉庫貯存、包裝、空運至港口、清關，以及租用小艇等一系列高達5000美元的成本。解決繁瑣、高成本且缺乏“穩定”的船舶配套供應服務模式，恰恰也給3D打印的未來發展指明了方向。

金屬增材技術踏夢而來

今年德國漢諾威工業展上，一臺3D打印船舶螺旋槳贏得了業內的聚焦。究其原因，這與金屬增材技術“走進”現實船舶制造業息息相關。據介紹，以前由于金屬增材制造合金材料種類偏少，合金的力學性能難以完全滿足船舶或海工的需求，所以一直以來難以得到廣泛應用。采訪過程中，該論點也得到了相關佐證。記者從側面了解到，船舶與海工行業中需要的材料種類繁多，而目前金屬增材制造技術中能直接應用的材料比較少，且主要以貴重金屬為主，雖然有些材料可以替代原有零件材料以提高零件本身的性能，但卻難在船舶與海工行業廣泛應用。

那么，此次奪人目光的3D打印船舶螺旋槳成功之處又在哪里呢？在半年前的一次采訪中，某位專家曾就當時金屬3D打印的技術難題向記者作出過分析。他曾談到，金屬的熔點相對較高，所以在成品制造過程中會面臨多種物理過程、熱傳導和表面擴散等問題。此外，相較于其他材料的3D打印技術，金屬零部件快速成型技術也是最為復雜的。顯然,此次成型的3D打印船舶螺旋槳或證明了以往一直困擾金屬3D打印的技術難題得到了相應解決。

另外，記者也就此次3D打印船舶螺旋槳的利用增減材復合加工技術亮點進行了相應追蹤。此次增材技術方面，據相關媒體透露，RAMLAB實驗室使用的是電弧焊接式6軸機械臂完成的螺旋槳3D打印，而此次負責金屬3D打印的WAAM 3D打印機也頗為獨特。RAMLAB總經理Vincent Wegener曾向外界透露：“與大多數金屬3D打印機不同，WAAM 3D打印機使用鋼絲作為原料，用電弧加熱材料并使用氣體來保護3D打印件不受空氣污染物的影響。”據相關研究機構的人士介紹，能夠用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結合起來，并具有合格的物理、化學性質。相對于粉末化的原料不可不說，RAMLAB此次使用的線材原料大大加速了3D打印的過程，并且也降低了打印成本。與此同時，傳統的減材加工也針對成形的三維的實體零件進行測量與特征提取，并與CAD模型進行對照尋找誤差區域后，對零件進行進一步加工修正，承擔了后期的精加工與表面處理工作。最后此次綜合了3D打印與數控切削加工組合的混合型方案，相信也會為未來船舶配件的3D打印提供了更多可行性方案。

那么未來利用增減材復合技術制造3D打印船舶配件又在哪些方面存在上升空間呢？采訪中記者了解到，未來如何做到在同一臺機床上完成所有加工工序值得關注。因為在同一臺機床上可實現“加減法”的加工，不僅可以避免原本在多平臺加工時工件的夾持與取放所帶來的誤差積累，提高制造精度與生產效率，同時也會更加節省車間空間，降低制造成本。

尋夢之旅

采訪中記者了解到，盡管相對于傳統制造（以減材制造的機械加工和以等材制造為主的鑄、鍛等）技術而言，金屬增材制造技術發展時間并不長，但卻已經在航空航天行業得到了廣泛應用。其中德國利用SLM（Selective Laser Melting）技術制造出了航空發動機的燃燒室及噴氣渦流器；美國利用DLF（Directed Laser Fabrication）技術和設備制造出了飛機部件；英國相關研究機構用激光熔覆技術修復了Trent 500航空發動機密封圈，并成功制造出樣件。如今，金屬增材制造技術正在逐步走進船舶制造業，其在發展過程中還將面臨哪些考驗，值得探討。

首先，成本還是金屬增材制造技術亟待解決的發展溝壑。據記者了解，目前金屬增材制造的成本相對其他大規模的加工技術工藝而言依然較高。不僅如此，金屬增材制造技術加工結構單價較高的背后，還有著另外的一些因素。第一，無論使用金屬粉末還是金屬絲成本都要比傳統工藝的金屬材料高出不少。第二，不論是加工熱源還是加工環境的控制，其所面臨的環境要求都要比傳統加工手段還要嚴苛。第三，目前來看作為一項正在發展中的制造技術，增材制造的成熟度還不能同金屬切削、鑄、鍛、焊、粉末冶金等制造技術相比，還有大量研究工作需要進行。這其中也就包括了激光成型專用合金體系、零件的組織與性能控制、應力變形控制、缺陷的檢測與控制、先進裝備的研發等。大量的科學基礎、工程化應用等等研究工作必然需要資金的支持。相應地，這也將導致通過金屬增材技術制造的船舶配件價格在短時間內難以“親民”。

此外，不可否認在船舶領域，零部件尺寸一般相對較大。據記者了解，完成此次3D螺旋槳打印的RAMLAB實驗室的WAAM 3D打印機也僅能夠焊接尺寸達2×2×2米的金屬零部件。如果未來金屬增材制造設備加工尺寸范圍不足的問題不能得到完善解決，那么也將制約金屬增材制造只能應用于制造縮比模型，效力于力學材料等性能的測試。一旦這一說法成立，那么也就意味著金屬增材制造失去生產上的意義。

當然，新技術的應用一般都需要經歷一個發展、磨合、適應的階段后才會步入正軌，在初期肯定會遇到不少問題。有媒體也針對相關法律糾紛問題提出了疑惑，例如備件供應商的許可。不止于空談，曾經馬士基的計劃便是聯合制造商一起開發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。

最后，有必要談一談不少業內人士的質疑：如安裝上船的所有零部件及設備都必須通過船級社認可，在船舶航行過程中運用3D技術打印出來的產品如何滿足這一要求?采訪過程中不少業內人士依然認為，3D打印產品的強度、硬度、精度及功能恐難滿足船舶要求。這其中就包括了當某個船舶零部件需要承重，并且易受高壓和高溫環境影響時，打印出來的產品能否勝任這一問題。不過專家也坦言，也許未來在3D技術發展到一定階段，能夠打印出各種精密的金屬物件時，3D打印在船舶行業的大范圍推廣運用才能成為現實。