3D打印有望与传统制造技术各展所长
- 2016-01-14 09:01:246871
一直以来，技术进步都在不断突破人们的想象。3D打印技术这个近来日渐升温的概念，正在渗透到生产生活的各个角落，从房子、汽车，到国庆期间天安门广场的花卉布置，3D打印似乎“*”。如同在其他工业领域一样，3D打印在船舶工业领域也有望大展拳脚。那么它是否会对传统制造技术形成巨大冲击，甚至取代后者?在北京造船工程学会组织召开的3D打印技术专题讲座上，有关专家认为，作为一种变革性的制造新技术，3D打印有望与传统制造技术各展所长，但是难以产生颠覆性的效果。
认识3D打印
3D打印，是一种利用激光、电子束或其他手段逐层叠加而直接、快速、制造零件的技术。其“打印”过程，是把通过设计或者扫描等方式做好的3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面，然后一层一层打印出来并按原来的位置堆积到一起，形成一个实体。
俗称的3D打印技术，还有一个学术性的名称，叫“增材制造”。作为中国3D打印技术产业联盟理事长王明华带领的材料研发团队成员，张述泉用通俗的语言介绍说，之所以叫增材制造，是因为从原理上讲，用这一方法制造的零件是“生长”出来的，从无到有，与传统加工生产的减材方式有所不同。其主要手段，包括熔合焊接、烧结、黏结，从整体而言，是一种集零件的结构设计、材料的制备方式和零件的加工方法为一体的*技术。
凭借计算机自动控制、无模具、无工装等特点，3D打印这一“逐层增加材料”的数字制造技术充分体现出其变革性。来自中国船舶重工集团公司经济研究中心的曹林指出，在具体的制造过程中，这一技术相对于传统制造技术，优势尽显。从制造周期来讲，3D打印省去了传统模具制作过程，使得制作周期大大缩短，一般几个小时，甚至几十分钟，就可以完成一个模型的打印。从使用材料来看，3D打印系统可以实现不同材料的打印，来满足不同领域的需要。例如，金属、石料、高分子材料都可以应用于3D打印。与此同时，传统金属加工过程中有大量金属原材料被丢弃，而3D打印过程中金属的浪费量明显减少。
当然，成本也是一个关键因素。在这方面，3D打印的特殊之处在于，一方面，不管是一个模型还是多个，都以相同的成本打印出来;另一方面，传统方式制造的物体形状越复杂，制造成本越高，而利用3D打印技术制造形状复杂的物体，成本不会随之增加。曹林坦言：“在现阶段，金属材料3D打印具有较高的直接制造成本。从成本构成来看，设备和材料占据主体部分，但随着技术的发展和市场规模的扩大，这两方面都存在较大的下降空间，因而有望在未来带动直接制造成本的下降。”
关注实际应用
任何一种技术要想拥有生命力，都不能“只中看不中用”，因此实际应用可谓关键。张述泉介绍说，用3D打印技术制造的产品具体可分为三大类，而每一类都有着各自的应用领域。其中，非金属模型样件主要用于文化艺术创意领域的新产品设计开发，非金属生物医学“支架”主要用于人体器官的体外或体内“培养”等，而高性能金属构件则主要用于包括船舶工业在内的国防及工业重大装备制造领域。
美国专门从事增材制造技术咨询服务的Wohlers协会在2012年度的一份报告中指出，在过去的几年中，航空零件制造和医学是3D打印增长快的应用领域。此外，其在消费产品和电子领域、汽车领域、工业设备领域均得到不同程度的应用。而根据近的媒体报道，欧美等发达国家一些从事3D打印设备生产和技术服务的公司，已经将目光瞄准了市场规模巨大的船舶和海洋工程装备制造业。
曹林认为，作为制造业的组成部分，船舶工业将不可避免地受到3D打印技术的影响。然而，实际情况如何呢?据介绍，有关部门组织的调研结果显示，目前在国内，3D打印技术还处于起步阶段，应用相当有限。已经涉足过3D打印技术领域的有中国船舶重工集团公司第十二研究所等4家单位。然而从这几家单位的实践来看，其应用要么是由于资金或者市场需求不足等原因而搁置，要么是专注在船舶之外的民用产品领域，也就是说，几乎没有真正用在船舶领域。
不过，3D打印在船舶工业的应用前景仍然是光明的，这当然也取决于3D打印所拥有的种种优势。据了解，包括研发设计、船舶建造、配套设备制造、维修保障在内的船舶工业链各个环节，都能用得上3D打印技术。具体而言，在研发设计阶段，利用3D打印技术制造新模型，可以更好地验证和改进设计参数及思路，提高设计水平与效率。在船舶建造阶段，3D打印不受曲率和形状的限制，非常适合空间曲面结构零件的制作;可以有效解决三维曲面外板成型困难、制作效率低的问题;无须焊接，可提高建造效率，缩短建造周期。在船舶配套设备领域，根据3D打印技术的特点，其主要应用方向为动力机械类产品及其他设备机械部分的研发、设计和制造，如活塞式内燃机的机体、缸盖及齿轮箱模具等。在维修保障方面，由于3D打印技术能够直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，因此将给船舶的维修保障带来重大变化。
张述泉也认为，未来，高性能金属构件3D打印的一个主要发展方向，便是高性能难加工大型金属构件的制造，其主要应用领域就是国防和工业重大装备，包括航空航天、船舶、石油化工、电力等行业的大型装备。面对这些工业领域产品的大型化、整体化和轻量化趋势以及高性能、高可靠性、高寿命要求，3D打印将有效解决现有工业领域当中难以破解的大型装备和大型零件等的制造难题。
并非“神器”
看起来，3D打印相较于传统制造技术有着种种优势，甚至有可能撼动其地位。然而，业内专家并不这样认为，他们呼吁理性认识3D打印这一新技术。“尽管作为一种变革性的制造新技术，3D打印的发展潜力巨大，但是它与传统制造技术同为制造技术大家庭的成员，各有所长。”张述泉进而指出，3D打印并不会颠覆或者取代传统的制造技术。他认为，3D打印有一定的适用范围，包括利用贵而难加工的材料进行制造以及制作大而复杂的高性能整体构件等。
“3D打印技术还处于初级发展阶段，并不是‘神器’。”曹林对此表达了同样的观点，并且建议，当前对于已经成功应用3D打印技术制造的模型和产品，可在船舶工业中大力推广应用。尤其是在研发设计阶段，3D打印能够与传统制造技术形成优势互补。
随着技术的发展，3D打印在现有基础上也有望发挥更大的作用，从而真正与传统制造技术在各自的“势力范围”内显身手。曹林表示，从中期看，一批船用复杂结构零件、特种零件、合金构件、复合材料构件的3D打印制造及修复技术有望实现突破，并终朝大型化、轻量化方向发展。
当然，这样的变化不是一朝一夕就能实现的，而是需要集结各方力量予以推动。曹林认为，3D打印涉及从基础科学、工程化应用到产业化的各个层次，因此需要整合国内产、学、研相关资源，发挥各自优势，促进3D打印在船舶工业的体系化发展。
针对目前的技术发展水平，曹林提出了具体建议：由于3D打印的前提是有三维模型可供打印，但目前船舶工业的产品设计仍然以二维设计为主，因此要实现3D打印，需要进一步提升产品三维数字化设计能力和水平;应加强基础科学研究，了解各种材料的局限性和优点，并结合企业需求，掌握3D打印材料和现有材料在性能、成本等方面的互换性;立足现有技术，引进可用于船舶工业的成熟3D打印技术及相关工艺，并有针对性地开展可行性研究，条件成熟后可逐步开展工艺验证和样件试制;积极开展原材料以及打印设备方面的标准研究。“从*看，3D打印技术有望未来船舶工业的发展方向，推动现有船舶工业体系的变革。”曹林这样认为。