船舶與海洋工程領域的3D打印技術現狀

肖志文 楊建明 石國杰 陳勁松 孟 偉

（江蘇海洋大學 機械工程學院，連云港 222005）

3D打印又被稱為增材制造技術，融合了計算機技術、材料加工與成型技術等學科領域，被英國《經濟學人》雜志譽為第三次工業革命的核心技術。3D打印按照建立3D模型、軟件切片處理、逐層打印累積材料的順序制造產品，根據成型方式的不同，3D打印技術主要包括光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、3DP法、選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化（EBM）等。同時，不同的成型方式也對應其專有的打印材料，如樹脂、塑料、石膏粉末、陶瓷、不銹鋼、鋁、金屬合金和生物材料等。與傳統的對原材料做“減法”的加工模式不同，3D打印是一種自下而上對材料做“加法”的制造方法，其材料利用率高、經濟效益好、產品自由度高，復雜的異型結構、內部流道等難以加工的結構也能輕易實現。

自第一臺3D打印機問世至今，3D打印已經快速發展了30多年，近年來在航空航天、汽車、醫療、服飾、教育和土木工程等眾多領域取得了重大進展[1-3]，但未商業化廣泛推廣，在船舶與海洋工程領域也不例外。目前，國家號召建設21世紀海洋強國，3D打印技術的快速發展成為我國海洋事業的一個契機，其在船舶與海洋工程領域的研究與應用重要性不言而喻。3D打印的優良特性吸引了國內外不少公司和科學家嘗試將該技術應用到船舶與海洋工程建設中，本文探討了3D打印技術在船舶與海洋工程領域的研究與應用現狀，主要包括3D打印涉海物件以及將海洋資源作為3D打印材料兩個方面。

1 3D打印制備涉海物件

1.1 制備用于海洋環境的材料

高濕度、高鹽度的海洋環境對涉海設備的材料提出了新的要求，海洋級別的不銹鋼材料要具有優良的抗腐蝕性和延展性，在彎曲的狀態下不會被折斷。2017年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）與佐治亞理工大學、美國俄勒岡州立大學和艾姆斯國家實驗室合作，成功3D打印了“海洋級”316L不銹鋼[4]。為了克服激光熔融造成孔隙率較高的難點，他們采用了一種密度優化工藝，通過計算機建模改善了不銹鋼的底層微觀結構，產生一種分層的類細胞結構，通過調整這些結構而控制打印件的物理特性。該材料含碳量低、耐腐蝕，在某些條件下，比用傳統工藝制成的材料強度高且延展性更好，廣泛用于制造石油管道、發動機零件等。

2016年，海底勘探和油氣生產設備供應商Magma Global與Victrex材料公司合作，利用激光燒結3D打印技術制備出了深海撓性M-Pipe管道。這種管道使用了被稱為特種工程塑料聚醚醚酮（PEEK）的熱塑性復合材料，3D打印制備的管道具有優于鋼管的浮力和耐腐蝕性，能承受高壓力和高流速，可部署到10000英尺的深海，減少海底石油和天然氣系統的生產成本。并且利用3D打印能實現連續打印至4000m的長度，減少了海底管道拼接接頭數量，大大提升了安全性能。

1.2 制備海洋船舶及船用物件

在修理海洋船舶設備故障時，傳統的方法是隨船帶足可能需要的各種零部件，或者想辦法靠岸修理，這兩種選擇都會帶來較高的修理成本和風險，而應用3D打印技術則可以很好地解決這一問題。將3D打印應用于海洋船舶，其應用形式主要有兩種：一是在岸3D打印，如新加坡的威爾森船舶服務公司配置了3D打印設備，按需生產3D打印的零件，為船舶提供配件；二是船載3D打印，即船舶在航行狀態下使用3D打印技術，可大量減少備品備件的攜帶量，增加燃料及補給的攜帶量，從而獲得更好的經濟效益[5]。例如，軍艦上安裝3D打印設備打印生活用品及常用的替換零部件[6]，可增加燃料和武器彈藥的攜帶量，提升遠洋作戰能力，在軍事上具有重要的意義。

3D打印應用于海洋船舶，按其應用階段可分為船舶設計階段和船舶運營階段。船舶設計階段主要是3D打印船舶的試驗模型，用于設計的驗證和改進[7-8]。船舶運營階段包括3D打印船舶零部件（螺旋槳、方向舵、發動機零部件等）[5,9-10]、3D打印船舶上使用的其他物件（生活物件、軍演部件、其他配件）、船舶零件與構件的修復。圖1為美國Sciaky公司采用EBM工藝3D打印制備的可用于潛艇的鈦壓載艙，可降低生產時間和成本。

圖1 3D打印的潛艇鈦壓載艙

無人船的使用改變了過去“船載人、人工測”的海洋數據測繪模式，不僅效率高、成本低，而且大大減少了測繪人員在海上發生意外事故的可能。無人船制造商MOST Autonomous Vessels聯合Ogle Models公司開展了超級海上無人船項目，使用激光燒結技術3D打印了精度、強度滿足要求的關鍵部件船頭與船尾，與中間艙體部分拼接為一個整體，實現了快速高效的無人船制造，為未來海上無人船隊的構建提供了技術支持。

1.3 制備海洋工程裝備

目前，艦載無人機的應用日益廣泛，可用于探索最佳航行路徑、監控海盜或走私等。英美海軍正在研究3D打印艦載無人機[7]，根據不同的使用目的，設計師將設計模型遠程發送至艦艇，在短時間內打印出無人機結構并裝配上相應的電器元件，使艦載無人機的制造更加快捷、應用更加靈活。為了減輕整機重量，使用的材料為合成纖維尼龍，使用激光燒結打印機制作出主體部分，大大減少了部件數量和組裝難度。

水下軟體機器人結構復雜且采用柔軟材料，故難以用傳統加工工藝制成。為了增加軟體機器人結構設計的多樣性以及更好地融合多種材料，3D打印技術逐漸出現在軟體機器人領域[11]。2016年，哈佛大學M.Wehner課題組成功研制出第一款全軟體“章魚機器人”——Octobot，它采用硅膠材料并通過3D打印而成[12]。麻省理工3D打印的軟機器魚SoFi[13]，如圖2所示，頭部是3D打印的，安裝有電子元件，背部和尾部由硅橡膠和柔性塑料制成，能夠潛水，像魚一樣游泳，配備了魚眼鏡頭，用于探測水下世界、接近海洋生物、捕捉視頻和照片。

圖2 3D打印的軟機器魚

北京航空航天大學采用多材料3D打印機打印出了仿生?魚吸盤樣機（如圖3）[14-15]，將其安裝到一個小型水下航行器的頭部，使航行器能夠有效地吸附到各種表面上以節省游動能量，也可以用于探測水下環境、檢測船底等是否有裂紋或異物。

圖3 3D打印的仿生?魚吸盤樣機

陳超等采用SLM工藝3D打印制備了印刷版式液化天然氣（LNG）汽化器[16]，如圖4所示。該汽化器是一種具有精細結構流體換熱通道的換熱器，可用于作為LNG存儲和汽化站的近海浮動平臺，實現LNG的再氣化。該產品能滿足超高壓、超低溫的運行條件，制造成本和周期大幅減少，打破了國外的產品壟斷，技術指標高于國外的其他工藝。

圖4 3D打印的印刷版式LNG汽化器

2 利用海洋資源進行3D打印

2.1 利用海洋塑料垃圾

人類傾倒在海洋的塑料垃圾降解時間長，浪費了資源的同時給海洋生態環境帶來了極大的危害。3D打印使得這些白色污染物可以回收使用，將其作為打印材料重新利用，節約資源的同時也解決了環境問題。海邊大量廢棄的漁網常常使一些海洋動物身陷羅網而無法生還，是一種致命的海洋垃圾。漁網主要是由尼龍6制成，尼龍6早已用于3D打印，因而漁網也是一種理想的回收材料。

利用海洋塑料垃圾進行3D打印主要包括垃圾收集、分類切碎、線材成形和3D打印等過程，采用這一方法，可以打印制作塑料凳子、碗和花瓶等家用品及藝術品。運動服飾巨頭阿迪達斯于2016年推出了一款新型運動鞋，此概念鞋由海洋塑料制成的上層和鞋底夾層兩部分組成，如圖7所示具有網格結構的鞋底夾層以可回收性聚酯和刺網為材料，通過3D打印制成，兼顧了經濟效益與海洋生態[17]。比利時建筑師Vincent Callebaut創建的海洋城市建設規劃，建筑物都由海藻和海洋塑料垃圾制成的復合材料經3D打印而建成[18]。

圖5 3D打印的鞋底夾層

2.2 利用海洋貝類材料

扇貝是一種常見的天然海洋貝類，其貝殼主要成分為碳酸鈣，所含的Ca2+、CO32-為人體自身含有的元素，在人體內可被徹底降解吸收，不產生炎癥反應和異物刺激作用。樓毅等利用扇貝殼粉體經過3D打印制備了海洋貝殼/鹿瓜多肽復合材料多孔生物支架，它具有良好的力學性能、三維空間結構及組織相容性，利于成骨細胞在支架上的附著，促進骨缺損的恢復[19]。

斑驢貽貝原產于東歐，作為入侵物種給美國生態系統和基礎設施造成了不利的影響。2018年，戴維森學院的學生Lorena James將斑驢貽貝的外殼粉碎成粉末，加入聚乳酸顆粒制作成3D打印細絲，并將這種3D打印材料申請了實用專利，體現了一種環保理念[20]。

3 結語

3D打印技術是一門發展迅猛的新興科學技術，與諸多領域相結合形成了特有的“3D+”產業模式，大力推動了其他領域的發展進程甚至顛覆了某些領域的原有模式。但無可否認的是3D打印技術還處于初級階段，大部分成果還處于理論狀態，距離實際大規模推廣使用還需要很長的時間。特別在海洋工程領域，相對于航空航天、醫學等熱門領域應用推廣還較少。但是隨著研究的深入，3D打印技術在制備適用海洋環境的高性能材料、船舶零部件及“無人系列”海洋工程裝備等方面展現出特有的優勢，甚至可以利用海洋塑料垃圾、貝殼等材料作為打印材料，帶來經濟利益的同時解決了困擾全球的海洋環境治理問題。相信隨著3D打印可用金屬材料較少、打印成本高、最大打印尺寸受限等問題的改善，3D打印將會對海洋工程領域的發展產生革命性的影響，推動我國海洋強國建設事業不斷向前。