探討3D打印技術(shù)在航運(yùn)業(yè)中發(fā)揮的作用？

2017-06-09

3D打印又稱增材制造，是一種快速成形技術(shù)。其與采用切削或鉆孔（即減材工藝）方式的傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)不同，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層疊加累積，即“積層制造”方式來(lái)直接構(gòu)造物體。

3D打印技術(shù)被“經(jīng)濟(jì)學(xué)家”雜志譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)，現(xiàn)產(chǎn)業(yè)價(jià)值約為40億美元，并以60％的年增速發(fā)展，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、汽車、航空和航天工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，主要用于成品和部分精密零部件的制造，預(yù)計(jì)整個(gè)行業(yè)到2020年將實(shí)現(xiàn)210億美元的產(chǎn)值。

3D打印一般由三維設(shè)計(jì)、3D打印和后處理三個(gè)關(guān)鍵過程組成。

三維設(shè)計(jì)是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD）或計(jì)算機(jī)動(dòng)畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式，一個(gè)STL文件使用三角面來(lái)大致模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。如果對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)制，則可以使用PLY等掃描器，對(duì)物品掃描來(lái)生成VRML或者WRL格式的三維文件作為全彩打印的輸入文件。

       打印過程是通過打印機(jī)讀取STL文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀材料將這些截面逐層地打印出來(lái)，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái)從而制造出一個(gè)實(shí)體。打印機(jī)打出的截面厚度（即Z方向）以及平面方向（即X-Y方向）的分辨率是以dpi（每英寸像素?cái)?shù)）或者以微米來(lái)計(jì)算，一般Z方向厚度為100微米（即0.1毫米），部分高精度打印機(jī)甚至可以打印16微米厚度；而X-Y平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來(lái)的“墨水滴”直徑通常為50到100個(gè)微米。用傳統(tǒng)方法需數(shù)小時(shí)到數(shù)天制造出的模型，根據(jù)打印機(jī)性能以及模型尺寸和復(fù)雜程度，用3D打印可縮短為一到幾個(gè)小時(shí)。

表面處理是為了獲得更高分辨率的物品表面，先用當(dāng)前3D打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再經(jīng)過表面打磨從而得到表面更加光滑的“高分辨率”物品。應(yīng)當(dāng)注意目前的3D打印機(jī)分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)完全足夠（在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），從而不必再進(jìn)行表面處理。

      傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而3D打印技術(shù)則可以以更快速、更有彈性和更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。一個(gè)桌面尺寸的3D打印機(jī)就可以滿足設(shè)計(jì)者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。3D打印以往常常被用于制造模型和模具，但隨著3D打印機(jī)和“墨水”制造技術(shù)的成熟，3D打印正被用于一些產(chǎn)品的直接制造，特別是高價(jià)值產(chǎn)品（如人體關(guān)節(jié)和重要設(shè)備零部件等）。

目前3D打印技術(shù)在航運(yùn)業(yè)已經(jīng)有了成功的應(yīng)用。例如通用電氣公司使用3D打印技術(shù)制造的燃油噴嘴，不僅在強(qiáng)度上是傳統(tǒng)技術(shù)制造產(chǎn)品的5倍，而且重量減輕了25％；到2020年該公司計(jì)劃將整個(gè)燃油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)30％的零部件通過3D打印技術(shù)制造。

據(jù)悉，馬士基油輪已經(jīng)對(duì)3D打印技術(shù)在航運(yùn)業(yè)的應(yīng)用前景進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)首先可以用來(lái)解決整個(gè)航運(yùn)業(yè)所面臨的零部件供應(yīng)鏈頑疾，如果船員可以在船上直接打印出他們急需的零部件，將有效縮短交貨時(shí)間，并且將顯著減少備件倉(cāng)儲(chǔ)、貨品包裝、空運(yùn)/陸運(yùn)、報(bào)關(guān)通關(guān)以及租船靠泊上貨等環(huán)節(jié)的成本，同時(shí)原先在部分基礎(chǔ)設(shè)施較差的區(qū)域無(wú)法提供備品備件的困難也將迎刃而解。其次，3D打印還對(duì)航運(yùn)業(yè)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展大有益處，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的消減制造過程中每次鉆孔、每次切削都在浪費(fèi)原材料和金錢，而使用3D增量打印技術(shù)，不僅可以靈活地制造出那些具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品或零部件，而且還可以實(shí)現(xiàn)原材料和金錢的“零浪費(fèi)”。

與一臺(tái)單價(jià)2.5萬(wàn)美元的塑料材質(zhì)打印機(jī)相比，雖然目前一臺(tái)金屬材質(zhì)3D打印機(jī)的價(jià)格高達(dá)100萬(wàn)美元，但隨其在工業(yè)界的不斷推廣和技術(shù)的進(jìn)步，有理由相信價(jià)格將快速下降到中高端應(yīng)用級(jí)水平（但不要期望其可以替代常規(guī)生產(chǎn)），那么3D打印技術(shù)將會(huì)對(duì)航運(yùn)和相關(guān)制造業(yè)帶來(lái)哪些變化和挑戰(zhàn)呢？