淺談3D 打印技術在船舶領域的應用

梅夢磊，秦 琪，方馨悅，陳順洪

（1.武警海警學院，寧波 315801；2.廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣州 510250；3.63969 部隊，南京 210000）

1 前言

3D 打印是一種先進的加工制造技術，具有節省原材料和制造靈活的特點，有著巨大的應用前景。3D 打印是通過噴頭將具有熱塑性的材料熔融，并按照計算機輔助設計（CAD）文件中定義的路徑逐層堆積、材料冷卻硬化，實現復雜形狀的成型。通用的打印技術，一般有粉末層噴頭打印（3DP）、直接金屬激光燒結打印（DMLS）、電子束融化打印（EBM）、選擇性激光燒結打印（SLS）、選擇性熱燒結打印（SHS）、分層實體制造（LOM）和立體光刻（SLA）等。

目前3D 打印技術在部分行業已取得一定的應用成果：在建筑行業，3D 打印技術已應用于建筑和景觀建造領域，有總長約28 m 的3D 打印橋、面積約160 m2的3D 打印建筑以及約5 000 m2的3D 打印公園等產品[1]；在汽車行業，完成了整車的直接打印和部分零部件的打印[2]；在航天航空業，使用3D 打印技術制造的各種零部件早已投入使用[3]；在船舶行業，國內外不少研究機構和船廠也逐漸聚焦3D 打印技術在船舶建造行業的可行性。其中，2014 年，馬士基和美國海軍已經在個別船舶和軍艦上安裝了3D 打印機[4]；2017年，荷蘭達門船廠3D 打印了世界首個通過船級社認證的直徑約1.3 m 的船用螺旋槳；2018 年，美國橡樹嶺國家實驗室完成了潛艇外殼的3D 打印[5]。盡管目前利用3D 打印技術在船舶行業做了不少嘗試，但仍未形成廣泛的工業應用和行業規模，該技術在船舶行業的應用仍處于起步階段。

2 3D 打印技術應用于船舶行業面臨的問題和應用方向

2.1 面臨的問題

相比傳統制造方式，3D 打印技術具有精度高、用料省、自由度高以及成型便捷等優點。通過分析3D 打印技術在汽車、建筑、醫療、航空行業應用中的特點和問題，總結出要推動3D 打印技術在船舶行業應用需要盡快解決的以下問題：

1）打印尺寸

打印機是一個包容性設備，所打印的產品要小于打印機本身的尺寸，而船舶制造業面對的往往是幾米到幾十米的構件和分段，這需要巨型的3D 打印機。目前世界上已完成的最大金屬打印部件為克蘭菲爾德大學制造的長約6 m 的3D 打印鋁塊，這樣的尺寸對于造船行業是遠遠不夠的，如何在控制成本的前提下突破尺寸的限制是一個亟待解決的難題。

2）材料性能

船舶在水中受到外部風浪流載荷與內部貨物載荷，對材料性能要求高，而3D 打印通常為單一材料打印，構件抗壓不抗拉，難以滿足要求。航天航空業采用鈦合金材料，并已成功投入實際生產，但這種材料費用高昂難以在船舶行業廣泛使用，尋找性能滿足要求、價格合理的打印材料是需要解決的第二個問題。

3）制造成本

如今國內造船產能嚴重過剩，國際船市萎靡不振，在這種大環境下船廠不愿花費精力探索3D 打印這種新興技術，使得3D 打印技術在船舶行業中的發展緩慢。

2.2 應用方向

結合上述3D 打印技術在船舶行業應用面臨的問題，可以看出目前3D 打印技術在船舶行業的應用方向不在大型船舶上，而應在小型船舶上尋找機會：

1）小型船舶的建造

根據目前市場條件，能使用3D 打印進行建造的船舶主要有：用于船池試驗的船模；無人艇；小型玻璃鋼船。以試驗船模為例，傳統船模價格幾千到上萬不等，其制作過程會產生大量粉塵，對工人身體以及環境都造成不利的影響，而且船模尺寸小，對強度要求較低，應用3D 打印技術有著很大的應用潛力。

2）船舶的個性化內裝

如游艇這種高附加值船舶，其昂貴的售價主要來自于其獨一無二的內裝設計，即個性化定制。將3D 打印技術應用于個性化定制將發揮其特性，快捷地實現各種藝術造型且成本低廉，同時可采用3D 打印部件作為骨架、外部進行材質蒙皮的工藝，既能降低成本又能保證內裝效果。

3 3D 打印技術應用于船舶建造初探

3.1 打印船舶類型

建造船舶的材料中具有熱塑性的材料有鋼鐵、鋁合金和玻璃鋼等，其中用于金屬打印的粉末材料價格較高，明顯違背市場發展的趨勢；而玻璃鋼材料的價格相對便宜，同時玻璃鋼船尺度相對較小，對3D 打印機器尺度要求小，因此3D 打印技術在玻璃鋼船的建造上更能發揮該技術的優勢。

目前世界上最大的玻璃鋼3D 打印機，是我國青島尤尼科技有限公司自主研發的巨型打印機，該打印機的成型空間為12 m×12 m×12 m。它將玻璃鋼材料加熱擠壓成半熔融狀態并層層沉積堆棧在基礎地板上，利用相關數據資料直接建構出原型，如此規格的成型空間為玻璃鋼船建造提供了條件。

3.2 分段建筑方案

上述12 m×12 m×12 m 的3D 打印機成型空間，可以實現小型玻璃鋼船的直接建造，但對于船長超過12 m 的船型則無能為力。為了突破打印空間的限制，本文提出分段建造的方式，分段建造在鋼制船舶中是非常成熟的技術，但因為玻璃鋼材料無法焊接的特點，分段建筑技術從沒有應用于玻璃鋼船舶建造上，所以首要解決的問題就是如何實現分段的對接。本文提出的解決方案，是采用一定的接頭形式膠接，即借助膠粘劑或玻璃鋼的二次成型，將玻璃鋼材料之間或其他材料之間彼此連接。

1）膠接接頭形式

據有關資料介紹，接頭的形式有上百種[6]，包括圖1 所示的各種。

圖1 不同的膠接接頭形式

上述接頭形式中，槽型接頭增加了膠接面積，改善了應力集中，適用于連接厚壁結構；玻璃鋼船體壁厚較大，適合以此為原型進行接頭設計；船體板的對接，采用圖2（左)所示的接頭形式，此種形式在接頭處進行了加強，增強了該處的剛度，同時增加了膠接面積。

圖2 分段對接接頭（左為船體板接頭，右為強構件接頭）

膠接具有良好的壓縮強度、剪切強度和抗疲勞強度，但其抗剝離強度較低。船舶在水上航行時受到外部風浪流載荷與內部貨物載荷，分段接頭處的受力復雜，單一的膠接難以滿足結構強度要求，因此強力構件的接頭處需要進一步加強，這些接頭多采用機械連接和膠粘劑連接的復合連接方式，在膠接的基礎上增加插銷，承受拉應力，如圖2（右）所示，圖中a 為插銷，b 為填充區。

2）膠接過程需注意的問題

在進行膠接過程中，膠接劑因受到擠壓溢出被粘物的端部而形成膠接劑固化劑，即膠粘毛邊。實驗表明，膠粘毛邊的存在改變了端頭受力狀態，對膠層起到保護作用，防止膠層較早出現裂紋，可大大提高接頭處的膠接強度[7]，因此在施工過程中，要注意對膠粘毛邊的保留與保護。

龍骨接頭除了要實施膠接外，還需進行插銷的安裝，插銷的安裝孔需額外考慮。在船廠吊裝精度滿足條件的情況下，推薦在分段打印時就預留好安裝孔；如果條件不允許，則可直接在對接時打孔，打孔時要注意避免造成局部裂紋。在對接之后，插入插銷，并向孔中灌注粘接劑，等粘接劑達到預定強度即完成合攏。

3.3 分段打印

3.3.1 龍骨等強力構件打印

傳統玻璃鋼船建造工藝對龍骨等強構件的處理方式是內部敷設泡沫，在泡沫上刷玻璃鋼材料，樹脂材料滲入泡沫中使泡沫具有較高的強度，硬化的泡沫與表層的玻璃鋼共同承擔載荷，滿足結構強度要求。3D打印為單一材料制造，無法采用上述工藝，因此在這些構件處需要采用不同的處理方式。

采用3D 打印方式建造龍骨時，以玻璃鋼格柵填充傳統工藝中泡沫填充的部分，不同的填充率所消耗的材料不同，打印出構件的結構強度也不同，在實際生產中如何確定強力構件的填充率有待進一步的研究。圖3 為不同填充率的效果，在接近接頭處需采用高填充率，膠接接頭處采用100%填充，即實體打印。

圖3 不同填充率示意圖

3.3.2 分段布置形式

在完成模型之后，開始3D 打印之前，需考慮分段在成型空間中的布置形式，不合理的布置形式將需要大量的輔助支撐以保證成型精度，造成大量的材料浪費，增加成本和打印時間。以下以某82 呎游艇中部分段為對象，討論分段不同布置形式的優劣。

將游艇分段三維模型按照1:200 的比例縮小后，導入某成型空間為700 mm×700 mm×650 mm 的3D 打印機配套的預處理軟件中計算獲得實驗數據，將數據進行無量綱處理，以減少模型縮小對實驗結果的影響。

圖4 為分段的不同布置形式；表1 為不同布置形式支撐的影響。

表1 不同布置形式支撐帶來的影響

圖4 分段的不同布置形式

從數據分析可知：

1）支撐所帶來的材料和時間增加率，大體成線性關系；

2）倒扣放置會使支撐大量增加：3D 打印的成型是自底而上的順序，遇到大角度懸空部分時材料將無法有效的堆積，必須通過打印大量支撐來保證材料的有效堆積，懸空部分越大所要求的支撐越多，倒扣放置時整個船體部分都處于懸空狀態，因此產生了大量的支撐，此種形式直接排除；

3）正放、豎放的布置形式，都會一定程度的增加支撐：正放時，支撐布置于打印平臺與船底間的空間中，以保證船體部分的有效成型，兩種支撐形式無太大區別；豎放時，支撐布置于舷側與船底所包圍的空間中，兩種方式的支撐布置都貼近于船體內壁，以保證肋骨的有效成型，其中類型2 支撐帶來的材料增量、時間增量遠小于類型1，但對整體起到的支撐作用不如類型1；

4）正放布置在打印完成后，不需要對船體分段進行翻身，在除掉支撐材料后可以直接進行對接，但支撐所帶來的材料增量與打印時間增量較大；豎放布置在打印完成后，分段需要進行一次翻身，采用支撐2 形式時支撐帶來的影響大大減小；兩種布置形式各有優劣，考慮到除去支撐材料的便利性、材料成本和時間成本等因素，豎放布置形式更優，故船體中部分段在打印時的布置形式推薦豎放布置。

4 結論

3D 打印技術是一種新型的制造技術，在各行各業都有著很大的發展潛力。基于對其他行業應用現狀的分析，總結了該技術在船舶行業的應用特點，提出了玻璃鋼船的3D 打印分段建造方案，提出了分段膠接接頭的兩種形式，并對分段打印過程中分段的布置形式和龍骨的填充進行了比較，得到船體中部分段適合豎放布置的結論。