3D打印技术在船舶领域的应用

图片来源：JOZEPH FORAKIS

3D打印技术在快速制造、定制特殊部件等方面表现出显著的优势。2015年，美国船级社（ABS）发布了3D打印技术在船舶与海工领域应用的全面指南《ABS 3D打印技术指南》，揭示了3D打印技术在船舶制造领域内的巨大前景和发展潜力。目前，大宇造船和现代重工都在与各方合作加快推进3D打印技术的应用。2022年2月，现代重工与蔚山信息产业振兴院、韩国生产技术研究院、韩国3D打印融合技术协会、韩国船级社等机构签订了“造船海洋领域3D打印事业开发业务协议”。2022年5月，韩国大宇造船通过和美国3D打印服务商英格索尔合作，“打印”了一艘10米级双壳模型试验船。本期推文将围绕3D打印技术在船舶领域的应用展开介绍。

1 什么是3D打印？

3D打印是快速成型技术的一种，又称增材制造，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”。打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

2 3D打印在船舶领域应用的优点

作为制造业的组成部分，船舶工业将不可避免地受到3D打印技术的重大影响。

首先，该技术将加快船舶工业新产品开发速度，降低开发成本。由于成型的便利，利用该技术可以更好地验证和改进设计参数和思路，提高设计水平和效率。比如，设计一个新的零部件时，设计人员可以同时拿出10种方案，并通过3D打印快速验证其合理性。即使是较大的船体设计也可以通过缩小比例的方式快速制作模型，这将极大地激发设计人员的积极性，降低产品研发成本。

其次，能使配套产品生产更加经济快捷。由于船舶配套产品批量小，不少属于定制性产品，3D打印可以随时调整参数，更低成本地进行小批量甚至单件产品的生产。同时，该技术可给配套产品的维修服务带来极大便利。通过3D打印，人们可以快速进行船体部件的维修与更换。相比与传统维修方式来说，3D打印零件可以更加快速且成本更低。

再次，其能够生产传统加工方法难以制造的产品，并且精度和光顺度更高。传统的制造方法是削除法，要通过多维加工将毛坯上不需要的地方切掉，一些复杂的产品及外板等用这种方法加工起来十分困难。利用三维设计和3D打印技术则可在一台设备上快速而准确地制造出任意复杂形状的零件，解决了许多过去难以制造的复杂结构零件的成形问题，并且加工精度的提高使产品的性能更好。

此外，3D打印的产品后期加工量少，可节省材料、减少库存，而且可以减少数据的传输和零部件供应商数量，有利于企业特别是军工企业做好保密工作。与传统制造方法相比，3D打印生产的零件重量更轻。这就意味着船体能够在保证足够的强度时速度能够变得更快，获得更好的平衡性，降低减重带来的潜在风险。

3 3D打印在船舶领域的应用案例

3.1 3D打印整船

3D打印技术能生成复杂的几何造型，可以优化整船结构，实现性能提升和轻量化。2021年5月，意大利Moi复合材料公司推出了一款3D打印玻璃纤维游艇MAMBO（图1），该船采用连续纤维制造(CFM)技术，它由一个数字化的三维模型开始，然后由机器“打印”出来。这艘6.5米长、2.5米宽的动力船展示了一种新的、独特的形状，这是传统制造不可能实现的。3D打印的玻璃纤维材料还使船体坚固，耐用且轻巧，而机器人工艺可实现打印尺寸的可扩展性以及成本效益。

图1 意大利Moi Composites公司的MAMBO连续纤维3D打印船

2022年3月，缅因大学先进结构和复合材料中心在72小时内打印了一艘巡逻艇3Dirigo（图2），该巡逻艇长7.62米，重2.2吨。缅因大学的这台打印机能够以每小时70公斤的速度挤压材料，目前可以制造30米长、7米宽、3米高的物品，而且可以通过配套一个更大的龙门吊来增加制造物体的尺寸（图3）。

图2 美国缅因大学3D打印船“3Dirigo”

图3 美国缅因大学的“龙门吊”3D打印机

2023年4月，由Roboat项目组、荷兰造船集团和Sequana Développement提出利用3D打印技术制造电动渡轮（图4），作为接送运动员和游客往返2024年巴黎奥运会的交通工具。该船长9米、宽3.9米，使用回收材料，不仅节省了资源，还减少了建造过程中的浪费。它在2024年巴黎奥运会期间的部署将为世界提供一个见证这一前沿技术的机会。

图4 荷兰造船集团3D打印的自动渡轮

2023年2月，米兰知名设计师Jozeph Forakis展示了他最新的PEGASUS项目——一艘长88米、太阳能-电力/氢能混合动力的概念游艇（图5），计划将在2030年正式推出。为了建造这艘超级游艇，工程师们将利用LFAM机器人3D打印来创建一个网状框架——将船体和上层建筑融为一体。其结果是一种非常坚固和轻便的结构，与传统的施工方法相比，它可以使用更少的能源、材料、废物、空间和时间来生产。

图5 3D打印PEGASUS超级游艇

3.2 3D打印船模

造船厂为了建造新的船舶，会制作按比例缩小的模型船舶，在大型水池中提前对船舶运动、航速、推进功率等航行性能进行测试验证。2015年4月，位于美国卡德洛克的海军水面作战中心（NSWC）里，研究人员已成功利用3D打印技术按比例制作出了1艘尺度大、结构复杂的美国海军医院船（T-AH20）模型（图6），将用于测试船上风力气流的情况以提升直升机作业时的安全性。

图6 3D打印的美国海军医院船船模T-AH20

2022年5月，韩国大宇造船与全球3D打印专业企业美国英格索尔机床公司(Ingersoll Machine Tools)合作，成功制作了ABS塑料复合材料10米试验用双尾鳍船(Twin Skeg)模型（图7）。这是造船业创新性采用3D打印技术FDM熔融沉积成型工艺(FDM)制造出非木材材料模型船舶的成功案例。

图7 韩国大宇造船3D打印的双尾鳍船模型

3.3 3D打印螺旋桨

对于复杂的现代化螺旋桨来说，3D打印也有着较乐观的发展前景。2017年9月，达门造船集团、Rotterdam Additive Manufacturing LAB（RAMLAB）实验室、德国螺旋桨制造商Promarin、软件巨头Autodesk以及法国船级社（BV）组成联盟合作制造了利用3D打印技术的船舶螺旋桨样品WAAMpeller（图8）。该螺旋桨采用镍铝青铜(NAB)合金制造，直径1350mm，重达400kg，并获得船级社认证。

图8 德国Promarin公司3D打印螺旋桨

2021年1月，得益于WAAM（Wire Arc Additive Manufacturing）增材制造工艺，法国海军集团（Naval Group）已经3D打印了螺旋桨（图9）。该螺旋桨由五个200公斤的叶片组成，然后被安装在“仙女座号”探雷舰上。该项目背后的团队解释说，通过使用3D打印技术，大大减少了施工时间，并最大限度地减少了使用材料的数量。

图9 法国海军集团3D打印的螺旋桨

3.4 3D打印发动机喷嘴

由于目前3D打印已能使用金属材料，曼恩、MTU和瓦锡兰等世界知名发动机厂商也对此产生了浓厚的兴趣，想借此来提升生产速度，以及花费更低的成本创造出更复杂、更轻便的船用零件。2022年1月，丹麦技术大学利用3D打印技术制备了一个发动机喷油嘴（图10），目前正在测试阶段。和原来的喷油嘴相比，新3D打印喷油嘴的油路管道采用了弯曲设计，可以让燃料的流动更顺化，有助于减少发动机的氮氧化物排放。

图10 丹麦技术大学的3D打印喷油嘴

3.5 3D打印船用铸钢

2023年1月，由现代重工、3D打印企业SFS、韩国铸钢株式会社联合开发的利用3D打印铸模制作的船用铸钢件（图11），获得了韩国船级社颁发的工厂认可证书。这种船用铸钢产品无需经过模具和其他加工流程，只需将成型砂进行3D打印制成模型，并在这一过程中浇注液体金属即可。相较于现有制作方式，3D打印技术有望降低30%的生产成本和50%的制作时间，以确保竞争优势。

图11 利用3D打印模具制造的船用铸钢产品

除了上述一些应用，3D打印技术在船舶领域还有许多其他实际应用，比如新加坡Tru-Marine公司利用3D打印快速维修和制造涡轮增压器部件、鹿特丹将建3D打印中心以快速维修到港船舶、美国橡树岭国家实验室(ORNL)与美国海军的颠覆性技术实验室合作利用3D打印潜艇船体（图12）等。

图12 3D打印潜艇船体

4 相关专利摘编