3D打印技術在船舶錨系設計驗證上的應用

張鼎，吳芬，虞黎唯

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011;2.上海材料研究所，上海 200437)

3D打印技術具有三維建模、輕量化、無模具復雜結構一體化成型、單件或個性化定制及生產周期短等優勢[1]。當前，3D打印技術在船舶制造領域已有一定的運用，主要包括設備零件制造、無人機制造等方面[2-3]，但將3D打印技術運用在船舶系統設計上則少見報道。錨泊是船舶停泊的重要方式之一，基本上所有船舶都會配備錨泊設備。由于錨泊設備關乎船舶的安全、操縱、美觀等，除了按規范配置錨與錨鏈之外，還需要充分考慮各設備之間的空間關系，確定錨機、掣鏈器、錨鏈筒、錨臺和錨唇等設備的位置和相關角度，所以錨系設計成為了船東、船廠和設計院格外關注的一個重要系統，也給設計人員提出了較高的要求[4]。為此，首先總結傳統錨系設計驗證方法存在的問題，然后結合目前已開展的研究工作，探討基于3D打印技術的錨系設計驗證方法，并進行拉錨試驗驗證。

1 傳統錨系設計驗證方法

傳統的錨系設計驗證基本流程是設計院提供二維錨系圖紙給船廠，然后船廠根據圖紙進行生產放樣，進行拉錨試驗，通過按比例縮小的木模完成。試驗范圍包括外板、錨唇、錨臺、錨鏈筒、錨和錨鏈等組成的錨系，試驗內容主要是觀察錨爪貼合情況、錨爪順利收放情況(不卡錨)等，試驗過程需要船東、船廠和設計院現場觀察并確認。

木模試驗成本高且試驗周期長，木模的精度也難以與原有設計圖紙保持高度一致且不能完全模擬實船的錨系布置情況。此外，由于木質與鋼的阻尼、剛度等截然不同，木模試驗和實際錨系的收放存在一定的差異。

2 3D打印技術簡介

3D打印的主要優勢在于無模具成型、復雜結構的一體化成型，精度高。3D打印獲得一件物品需要經歷建模、軟件切割分層、逐層打印和后期處理四個階段，其基本流程見圖1。

圖1 3D打印基本流程

將3D打印運用在拉錨試驗上的技術關鍵。

1)錨系設計由傳統的二維圖紙輸入改變為三維模型輸入。

2)選用的材料不僅要滿足模擬試驗的技術要求，還要達到3D打印工藝的技術標準。

3)3D打印件的增強處理是否能保證其強度滿足試驗要求，決定其最終的尺寸精度、形狀精度以及機械強度等參數。

3 三維設計基本流程

以典型的錨唇-錨臺-錨鏈筒布置為例，基于UG-NX的錨系三維設計基本流程如下[5-6]。

1)導入船體線型NAPA模型，截取錨系設計需要的部分。

2)建立錨鏈筒，根據錨鏈筒上下出口點確定錨鏈筒中心線，然后根據中心線確定錨鏈筒內外壁。

3)建立錨臺，先決定錨臺長軸，再根據過下出口點的水平面作草圖決定錨臺水平線，在兩相交直線基礎上決定錨臺平面，最后根據錨臺截面生成整個錨臺體。

4)建立錨唇，在錨臺平面上以長軸為90°方位線，依次建立0°～360°共計8條方位線，然后在8條方位線上用型值法和藝術曲線命令建立錨唇型線，最后將截面掃掠成錨唇體。

圖2為將以上步驟建立的模型組合起來的整體模型，是3D打印的最重要輸入條件。

圖2 錨系三維模型示意

錨系其他零件如錨卸扣、錨鏈、轉環等(見圖3)，可在三維軟件上建立標準參數化模型，使用時將標準參數化模型里面的主要尺寸用所需要模型的尺寸來替換即可。錨的建模是一個比較復雜的過程，一般應按照圖紙詳細建模，不能進行參數化建模，可考慮在積累一定數量的模型之后建立標準件庫，且特殊場合(精度要求不高)可采用縮放方法得到不在標準件庫的錨模型，如基于錨爪長度的比值進行等比例縮放。

圖3 錨和錨附件三維模型示意

掣鏈器(見圖4)是錨系布置的重要組成部分，在拉錨試驗階段需體現掣鏈器的布置情況，通過觀察錨鏈的翻轉情況來判斷錨系設計的合理性，避免在實船階段有翻鏈、跳鏈等情況。掣鏈器亦可考慮建立標準件庫，且特殊場合(精度要求不高)可采用縮放方法得到不在標準件庫的掣鏈器模型，如基于錨鏈直徑的比值進行等比例縮放。

圖4 掣鏈器三維模型示意

將以上步驟建立的與實際尺寸一致的三維模型(即圖2～4所示部件)按照要求的縮尺比(如1∶5)進行縮放得到新的三維模型，然后將此模型作為輸入條件進行3D打印，即完成了整套拉錨試驗的模型，包括船體外板、錨鏈筒、錨臺、錨唇、錨鏈、錨和掣鏈器。在進行拉錨試驗后，如需修改原有設計，可直接在三維模型中修改，相對于傳統的二維圖紙設計更為快速精確，然后基于修改后的三維模型再進行3D打印，此過程可以保證設計圖紙與試驗模型始終一致，其精度遠高于人工制造的木模。

4 3D打印部件制備工藝

中國船舶及海洋工程設計研究院和上海材料研究所(以下簡稱雙方)已對3D打印技術在拉錨試驗上的運用開展了部分合作研究工作。基于研究院提供的錨系部件三維模型，上海材料研究所項目組采用SLS(選擇性激光燒結)燒結技術制備PS(聚苯乙烯)粉末3D打印原型件，縮尺比為1∶5。通過多次試驗得到PS粉末材料較優的SLS燒結工藝參數，見表1。并通過使用PS粉末材料進行了大量的打印實驗，得到了以下經驗：PS打印時為保證變形量盡可能的小，需加基底固定，基底高度越高，第一層高溫層變形量越小，后面各層形變也就越小；由于PS粉末熔點與加工溫度存在加大差異，初始打印時應盡量減小加工區域與未加工區域的溫度梯度，采用高溫加工，減少形變產生；當打印出一定高度的制品后，此時制品形狀已基本固定，應調低加工溫度，防止粉末與制品發生嚴重粘連，導致制品無法取出。

表1 優化的PS粉末材料SLS燒結工藝參數

由于PS材料本身的非晶態結構特性，得到的PS打印制件強度仍不能達到功能結構件的使用要求，制件致密度較低、孔隙率較高、強度低、脆性大，故需利用環氧樹脂和碳纖維布進行增強試驗。其中，環氧樹脂增強的主要工藝如下。

1)將環氧樹脂混合液緩慢均勻地滲入PS粉末3D打印件中，直至滲透結束，得到浸滲環氧樹脂的試件。

2)用毛刷沾取少量樹脂混合液從PS粉末3D打印試件上表面開始滲透，樹脂在重力的作用下逐步填充到打印件的整個孔隙中，且在整個滲透過程中需保證滲透表面有環氧樹脂混合液覆蓋；為使孔隙中的空氣能夠排出，滲透時必須保證至少有一個面能夠排出空氣。

3)當打印件滲透樹脂到一定程度后，再放入真空吸排機中處理，使樹脂混合液更均勻地浸滲于3D打印件內。

碳纖維布增強的主要工藝為將預處理的纖維布貼附于環氧樹脂增強后的3D打印試件表面，并使樹脂完全浸潤纖維布，再除去試件表面多余的樹脂混合液，得到浸滲粘附完全的試件。

通過采用多種固化材料體系進行試驗發現，在使用雙酚 A型環氧樹脂、651固化劑和6530柔性環氧樹脂等組合體系的前提下，碳纖維布協同環氧樹脂增強的3D打印件力學性能較優，其拉伸強度、沖擊強度和彎曲強度分別達到55.82 MPa、13.85 kJ/m2和167.68 MPa。可見樹脂增強的3D打印件，滲透的環氧樹脂填補了3D打印件原有的孔隙，把PS顆粒浸潤、粘結包裹起來，相互結合緊密，形成了一種新的復合材料，增強了材料的力學性能；樹脂對PS粉末的3D打印件的孔隙填補充分，相互之間結合緊密，且樹脂與碳纖維布均浸潤良好。

綜上所述，部件的制備工藝主要包括3D打印工藝和復合材料制備工藝。其中，3D打印工藝的基本步驟：打印準備→打印參數設定→高溫層參數設定→基本制造系數設定→溫度設置設定→打印件清理；復合材料制備工藝的基本步驟：制備樹脂混合液→樹脂增強→碳纖維布除雜活化處理→碳纖維布增強→高溫固化→打磨拋光。在此基礎上，上海材料研究所成功制備出能進行模型試驗的部件：錨和錨鏈，見圖5。

圖5 3D打印的拉錨試驗用錨及錨鏈

5 試驗驗證及探討

為了檢驗3D打印的部件能否滿足拉錨試驗的要求，在某船廠進行3D打印錨的試驗驗證。通過現場觀察可以看到，3D打印模型的錨爪翻轉、錨爪與錨唇最終貼合位置等情況與該船的傳統木模錨模型相似，見圖6。

圖6 3D打印錨的收放、收藏及貼合

同時，在船廠專門對3D打印錨鏈和錨進行了多次收放試驗，其中錨鏈經過導鏈輪由電動馬達牽引。試驗完成后，對每個錨鏈的外形均進行了仔細檢查，未發現變形、裂紋等損傷缺陷，表明該錨鏈的強度能滿足拉錨試驗要求，見圖7。通過試驗結果可以看到，將3D打印技術運用在拉錨試驗上是可以實現的，為下一步全套拉錨試驗模型的3D打印奠定了基礎。

圖7 3D打印錨鏈的收放試驗及強度試驗裝置

另外，通過與船廠和上海材料研究所的溝通了解到，一般而言，拉錨試驗全套木質模型(縮尺比為1∶5)的制作時間約為1.5個月(不包括掣鏈器，船廠為了減少成本，目前的拉錨試驗均采用同一規格的掣鏈器)，且成本約為8萬元；如果3D打印技術運用在錨系部件制造上的工藝已成熟，其制作和實船錨系布置基本一致的全套模型(縮尺比為1∶5)時間可控制在20 d以內，且成本可控制在1.5萬人民幣以內。由此可見，3D打印技術的應用，可以提高試驗效率并節省成本。