3D打印技术在船舶领域的应用
3D打印技术在特殊部件的快速制造和定制方面显示出显著优势。2015年,美国船级社发布了3D打印技术在造船和海洋工程领域应用的综合指南《ABS 3D打印技术指南》,揭示了3D打印在造船领域的巨大前景和发展潜力。目前,大宇造船和现代重工正在与各方合作,加快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打印集成技术协会、韩国船级社等机构签署了《造船海洋产业3D打印发展业务协议》。2022年5月,韩国大宇造船通过与美国3D打印服务提供商英格索尔的合作,“打印”了一艘10米长的双壳模型试验船。这条推文将重点介绍3D打印技术在造船领域的应用。
什么是3D打印?
3D打印是一种快速成型技术,也称为增材制造。它以数字模型文件为基础,使用粉末金属或塑料等粘性材料通过逐层打印构建物体。所谓的3D打印机的工作原理与普通打印机相同,只是打印材料有所不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机包含不同的“打印材料”,如金属、陶瓷、塑料、沙子等。打印机连接到计算机后,可以通过计算机控制将“打印材料“层层堆叠,最终将计算机上的蓝图变成实物。
3D打印在造船领域的优势
作为制造业的组成部分,造船业不可避免地会受到3D打印技术的巨大影响。
首先,这项技术将加快造船业新产品的开发速度,降低开发成本。由于成型方便,使用该技术可以更好地验证和改进设计参数和设计思想,提高设计水平和效率。例如,在设计一个新组件时,设计师可以同时想出10个解决方案,并通过3D打印快速验证其合理性。即使是更大的船舶设计也可以通过缩小规模快速创建模型,这将极大地激发设计师的热情,降低产品开发成本。
其次,它可以使配套产品的生产更加经济高效。由于船舶配套产品批量较小,很多都是定制产品。3D打印可以随时调整参数,实现小批量甚至单个产品的低成本生产。同时,该技术可以为配套产品的维护服务带来极大的便利。通过3D打印,人们可以快速修复和更换船舶部件。与传统的维修方法相比,零件的3D打印可以更快、更具成本效益。
再次,它可以生产出使用传统加工方法难以制造的产品,具有更高的精度和光滑度。传统的制造方法是切割法,它包括通过多维加工切割坯料上不必要的区域。使用这种方法加工一些复杂的产品和外板是非常困难的。通过利用3D设计和3D打印技术,任何复杂形状的零件都可以在单个设备上快速准确地制造出来,解决了许多过去难以制造的复杂结构零件的成形问题,提高加工精度可以获得更好的产品性能。
此外,3D打印产品的后处理量较小,可以节省材料,减少库存,减少数据传输和零部件供应商的数量,这有利于企业特别是军工企业做好保密工作。与传统的制造方法相比,3D打印可以生产更轻的零件。这意味着船体可以在确保足够强度的同时变得更快,实现更好的平衡,并降低潜在的减肥风险。
3D打印在船舶工业中的应用案例
3.1整艘船的3D打印
3D打印技术可以生成复杂的几何形状,优化整个船舶结构,实现性能提升和轻量化。2021年5月,意大利莫伊复合材料公司推出了一款3D打印玻璃纤维游艇MAMBO(图1),该游艇使用连续纤维制造(CFM)技术。它从一个数字3D模型开始,然后由机器“打印”。这艘6.5米长、2.5米宽的动力船展示了传统制造无法实现的新的独特形状。3D打印的玻璃纤维材料还使船体坚固、耐用、重量轻,而机器人工艺使打印尺寸具有可扩展性和成本效益。
2022年3月,缅因大学高级结构与复合材料中心在72小时内印制了一艘巡逻艇3Dirigo(图2),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公斤的速度挤出材料。目前,它可以制造30米长、7米宽和3米高的物品,并可以通过支撑更大的龙门起重机来增加制造物体的尺寸(图3)。
2023年4月,Roboat项目团队、荷兰造船集团和Sequana Dévelopment提议使用3D打印技术制造电动渡轮(图4),作为运动员和游客往返2024年巴黎奥运会的交通工具。船长长9米,宽3.9米,采用再生材料,既节省了资源,又减少了施工过程中的浪费。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尖端技术的机会。
2023年2月,米兰著名设计师Joseph Forakis展示了他最新的PEGASUS项目——一艘88米长的太阳能-电动/氢混合动力概念游艇(图5),计划于2030年正式下水。为了建造这艘超级游艇,工程师们将使用LFAM机器人3D打印来创建一个集成船体和上层建筑的网格框架。其结果是,与传统的施工方法相比,可以使用更少的能源、材料、废物、空间和时间来制造非常坚固和轻质的结构。
3.2 3D打印船舶模型
为了建造新的船舶,造船厂将生产缩小规模的模型船舶,并在大型水池中对船舶运动、速度、推进功率和其他导航性能进行先进的测试和验证。2015年4月,美国卡德洛克海军水面作战中心(NSWC)的研究人员成功地使用3D打印技术对一艘大型复杂的美国海军医院船(T-AH20)的模型进行了缩放(图6),该模型将用于测试船上的风和气流,以提高直升机在作战过程中的安全性。
2022年5月,韩国大宇造船与全球3D打印专业公司英格索尔机床合作,成功生产了用于ABS塑料复合材料10米测试的Twin Skeg模型(图7)。这是造船业创新利用3D打印技术FDM熔融沉积成型(FDM)制造非木质材料模型船舶的成功案例。
3.3 3D打印螺旋桨
对于复杂的现代螺旋桨,3D打印也有着很好的发展前景。2017年9月,大门造船集团、鹿特丹增材制造实验室(RAMLAB)、德国螺旋桨制造商Promarin、软件巨头Autodesk和法国航运局(BV)结成联盟,使用3D打印技术制造船舶螺旋桨样品WAAMpeller(图8)。螺旋桨由镍铝青铜(NAB)合金制成,直径1350毫米,重量400公斤,已通过船级社认证。
2021年1月,得益于WAAM(线弧增材制造)增材制造工艺,法国海军集团对螺旋桨进行了3D打印(图9)。螺旋桨由五个200公斤重的叶片组成,然后安装在“仙女座”扫雷舰上。该项目背后的团队解释说,通过使用3D打印技术,施工时间大大缩短,材料用量也尽可能减少。
3.4 3D打印引擎喷嘴
由于目前在3D打印中使用金属材料,MAN、MTU和瓦锡兰等世界知名发动机制造商也对此表现出了浓厚的兴趣,旨在提高生产速度,以更低的成本制造更复杂、更轻的船用零件。2022年1月,丹麦理工大学使用3D打印技术制备了一个发动机喷油器(图10),目前正处于测试阶段。与原来的喷油器相比,新的3D打印喷油器的燃油管路采用了弯曲设计,可以方便燃油流动,并有助于减少发动机氮氧化物排放。
3.5船用铸钢3D打印
2023年1月,现代重工业、3D打印企业SFS和韩国铸钢株式会社有限公司联合开发的使用3D打印模具制造的船用钢铸件(图11)获得了韩国船级社颁发的工厂认可证书。这种类型的船用铸钢产品不需要经过模具和其他加工过程。它只需要将成型的沙子3D打印成模型,并在这个过程中倒入液态金属。与现有的生产方法相比,3D打印技术预计将减少30%的生产成本和50%的生产时间,以确保竞争优势。
除了上述一些应用外,3D打印技术在船舶领域还有许多其他实际应用,例如新加坡的Tru Marine使用3D打印快速修复和制造涡轮增压器部件,鹿特丹建造3D打印中心快速修复抵港船舶,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,将3D打印用于潜艇船体(图12)。
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