本刊记者 刘 萧

3D打印船舶螺旋桨的标志性意义

本刊记者 刘 萧

在不久之前举办的2017德国汉诺威工业展上，来自荷兰的RAMLAB实验室向海事界展示了其与软件巨头Autodesk合作利用增减材复合加工技术制造的船舶螺旋桨。不仅如此，两家公司还向外界透露，今夏将对螺旋桨进行包括系柱拉力和碰撞测试等全面试验，目标是打造出世界上第一个通过船级社认证的3D打印船用螺旋桨。如此具体且清晰的计划，似乎也正向人们透露出3D打印即将融入船舶制造业的讯号。

挑战原有模式

3D打印技术对于船舶行业其实已经并不陌生。军船方面，早在2014年4月，美国海军就在“Essex”

号两栖攻击舰上安装了1台3D打印机。起初这一设备只被用于方便舰员打印一些需要的零部件。而如今美国海军则将其用途“升级”，尝试进行3D打印无人机项目，用于测试那些定制无人机执行特殊任务时的效果。民船方面，2014年，马士基也积极推动旗下油轮公司率先“试水”，计划将3D打印的设想在实践中进行尝试。尽管当前这些3D打印耗材大多还拘泥于PLA(生物降解塑料聚乳酸)、ABS树脂、橡胶、石膏、塑料、可黏结的粉末颗粒等方面，距离业内期待的金属增材制造技术目标还有距离，但业内对这一技术的热情却从未减少。

至于为何，记者在采访中得知，迫于解决远洋船舶在航行期间零件受损后短期内较难获得廉价、便捷的更换服务或是原因之一。一位轮机长也向记者谈对该问题的看法。首先，对于远洋船舶而言，各个部件的寿命、使用频率和强度不尽相同，同时船员队伍有时也相对不固定，此类随机因素不免导致备件耗用情况难以事先预知。其次，有的船公司船舶机型比较多，又增加了船舶备件管理的复杂性，导致了有时备件配备不足的现象，造成船舶维护保养难以正常进行，轻则耽误船期，给公司造成一定的经济损失，重则影响船舶安全航行。而运用3D打印技术解决这些问题却很“对症”。快速打印出的相应备件，一方面可以解决受损的船舶设备故障，另一方面，3D打印技术在实船上应用，也可以进一步减少航运企业船舶备件的种类和数量，整体来看具有一定的可行性。

除此以外，采访中也有不少业内人士认为，如果未来3D打印技术能够成熟到在船上直接打印出急需的零部件，那么也将有效缩短备件交货时间，并显著减少备件仓储、货品包装、空运（陆运）、报关通关以及租船靠泊上货等环节的成本。同时，技术的应用也将倒逼现有的分布于全球各港口的设备供应代理商面对边缘化挑战，为现有的船舶配套生产供应服务模式带来新的挑战。

对于马士基决定在旗下一艘油船上安装3D打印机的做法，业内人士分析认为，按照传统方法，油船首先要确定受损部件并报告公司，公司要将准备好的部件运往油船下一个要经过的港口，最后租一艘小艇将所需要的部件送到船上。之所以需要租用小艇，是鉴于油船货物具备危险性，一般会被禁止进入港口主要区域。不仅如此,油船不能按时到港也时有发生，这也使得部件的运送工作变得更复杂。最后仅将某一零件运送至船上就需要仓库贮存、包装、空运至港口、清关，以及租用小艇等一系列高达5000美元的成本。解决繁琐、高成本且缺乏“稳定”的船舶配套供应服务模式，恰恰也给3D打印的未来发展指明了方向。

金属增材技术踏梦而来

今年德国汉诺威工业展上，一台3D打印船舶螺旋桨赢得了业内的聚焦。究其原因，这与金属增材技术“走进”现实船舶制造业息息相关。据介绍，以前由于金属增材制造合金材料种类偏少，合金的力学性能难以完全满足船舶或海工的需求，所以一直以来难以得到广泛应用。采访过程中，该论点也得到了相关佐证。记者从侧面了解到，船舶与海工行业中需要的材料种类繁多，而目前金属增材制造技术中能直接应用的材料比较少，且主要以贵重金属为主，虽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，但却难在船舶与海工行业广泛应用。

那么，此次夺人目光的3D打印船舶螺旋桨成功之处又在哪里呢？在半年前的一次采访中，某位专家曾就当时金属3D打印的技术难题向记者作出过分析。他曾谈到，金属的熔点相对较高，所以在成品制造过程中会面临多种物理过程、热传导和表面扩散等问题。此外，相较于其他材料的3D打印技术，金属零部件快速成型技术也是最为复杂的。显然,此次成型的3D打印船舶螺旋桨或证明了以往一直困扰金属3D打印的技术难题得到了相应解决。

另外，记者也就此次3D打印船舶螺旋桨的利用增减材复合加工技术亮点进行了相应追踪。此次增材技术方面，据相关媒体透露，RAMLAB实验室使用的是电弧焊接式6轴机械臂完成的螺旋桨3D打印，而此次负责金属3D打印的WAAM 3D打印机也颇为独特。RAMLAB总经理Vincent Wegener曾向外界透露：“与大多数金属3D打印机不同，WAAM 3D打印机使用钢丝作为原料，用电弧加热材料并使用气体来保护3D打印件不受空气污染物的影响。”据相关研究机构的人士介绍，能够用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。相对于粉末化的原料不可不说，RAMLAB此次使用的线材原料大大加速了3D打印的过程，并且也降低了打印成本。与此同时，传统的减材加工也针对成形的三维的实体零件进行测量与特征提取，并与CAD模型进行对照寻找误差区域后，对零件进行进一步加工修正，承担了后期的精加工与表面处理工作。最后此次综合了3D打印与数控切削加工组合的混合型方案，相信也会为未来船舶配件的3D打印提供了更多可行性方案。

那么未来利用增减材复合技术制造3D打印船舶配件又在哪些方面存在上升空间呢？采访中记者了解到，未来如何做到在同一台机床上完成所有加工工序值得关注。因为在同一台机床上可实现“加减法”的加工，不仅可以避免原本在多平台加工时工件的夹持与取放所带来的误差积累，提高制造精度与生产效率，同时也会更加节省车间空间，降低制造成本。

寻梦之旅

采访中记者了解到，尽管相对于传统制造（以减材制造的机械加工和以等材制造为主的铸、锻等）技术而言，金属增材制造技术发展时间并不长，但却已经在航空航天行业得到了广泛应用。其中德国利用SLM（Selective Laser Melting）技术制造出了航空发动机的燃烧室及喷气涡流器；美国利用DLF（Directed Laser Fabrication）技术和设备制造出了飞机部件；英国相关研究机构用激光熔覆技术修复了Trent 500航空发动机密封圈，并成功制造出样件。如今，金属增材制造技术正在逐步走进船舶制造业，其在发展过程中还将面临哪些考验，值得探讨。

首先，成本还是金属增材制造技术亟待解决的发展沟壑。据记者了解，目前金属增材制造的成本相对其他大规模的加工技术工艺而言依然较高。不仅如此，金属增材制造技术加工结构单价较高的背后，还有着另外的一些因素。第一，无论使用金属粉末还是金属丝成本都要比传统工艺的金属材料高出不少。第二，不论是加工热源还是加工环境的控制，其所面临的环境要求都要比传统加工手段还要严苛。第三，目前来看作为一项正在发展中的制造技术，增材制造的成熟度还不能同金属切削、铸、锻、焊、粉末冶金等制造技术相比，还有大量研究工作需要进行。这其中也就包括了激光成型专用合金体系、零件的组织与性能控制、应力变形控制、缺陷的检测与控制、先进装备的研发等。大量的科学基础、工程化应用等等研究工作必然需要资金的支持。相应地，这也将导致通过金属增材技术制造的船舶配件价格在短时间内难以“亲民”。

此外，不可否认在船舶领域，零部件尺寸一般相对较大。据记者了解，完成此次3D螺旋桨打印的RAMLAB实验室的WAAM 3D打印机也仅能够焊接尺寸达2×2×2米的金属零部件。如果未来金属增材制造设备加工尺寸范围不足的问题不能得到完善解决，那么也将制约金属增材制造只能应用于制造缩比模型，效力于力学材料等性能的测试。一旦这一说法成立，那么也就意味着金属增材制造失去生产上的意义。

当然，新技术的应用一般都需要经历一个发展、磨合、适应的阶段后才会步入正轨，在初期肯定会遇到不少问题。有媒体也针对相关法律纠纷问题提出了疑惑，例如备件供应商的许可。不止于空谈，曾经马士基的计划便是联合制造商一起开发3D打印技术，这样不但能最大程度地避免一些法律纠纷，而且还能使打印出的备件质量更可靠。

最后，有必要谈一谈不少业内人士的质疑：如安装上船的所有零部件及设备都必须通过船级社认可，在船舶航行过程中运用3D技术打印出来的产品如何满足这一要求?采访过程中不少业内人士依然认为，3D打印产品的强度、硬度、精度及功能恐难满足船舶要求。这其中就包括了当某个船舶零部件需要承重，并且易受高压和高温环境影响时，打印出来的产品能否胜任这一问题。不过专家也坦言，也许未来在3D技术发展到一定阶段，能够打印出各种精密的金属物件时，3D打印在船舶行业的大范围推广运用才能成为现实。