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3D打印和造船工业
发布日期：2018-07-24 964
3D打印技术作为“第三次工业革命的重要标志”，被认为是推动新一轮工业革命的重要契机。3D打印技术将以其革命性的“制造灵活性”和“大幅节省原材料”在制造业掀起一场革命。随着“智能制造”和“工业4.0”概念的提出，3D打印技术在船舶制造领域的应用成为热议话题已久。随着近日LR（英国劳氏船级社）对于增材制造形式认可指南的推出，3D打印技术再次成为行业内讨论的热点。
主流的3D打印技术
3D打印技术（3D Printing）是快速成形技术的一种，也叫作增材制造（Additive Manufacturing）。基本原理是把一个通过计算机辅助设计（ CAD）或者扫描等其它用于制作3D模型的软件做好的3D模型，然后按照某一坐标轴切成无限多个剖面，一层一层打印出来，并按原来的位置堆积到一起，形成一个实体的立体模型。其工艺流程一般分为三步，即三维建模、产品成型和成品后处理。
目前有十几种切实可行的快速成形技术，但几乎所有技术都基于以下三种基本原理：
1）3D打印机通过挤压打印喷头来形成铸件或半液体材料；
2）3D打印机通过使一种被称作“感光性树脂”的液体变成固体从而形成物理层，这种液体暴露于激光或其他光源中时会变硬；
3）3D打印硬件通过逐层粘合一种不常见的精细粉末来制作模型。这种“颗粒状材料的粘合”即可以通过喷射液体胶水或粘合每一粉末层达到，又可以通过激光或其他热源来熔化粉末颗粒来形成。
3D打印技术发展现状
3D打印的应用可分为工业级和消费级两种。1986年，美国3D Systems公司正式成立，两年后推出了第一款工业化的“3D打印”设备SLA-250后，短短几年形成了巨大的市场。
3D打印设备用户由原来为自己的产品开发服务的大企业和科研机构用户，迅速向中小企业甚至3D打印个人爱好者发展。
目前，全球有两家3D打印机制造巨头分别为3D Systems公司和Stratasys公司，均为美国上市公司，作为工业级3D打印领域的领军企业，它们拓展下游领域、加强软件与解决方案投入以及行业整合。
它们的产品小到生物血管，大到飞机钛合金主承力构件。随着3D打印技术的发展，目前全世界已有越来越多的厂商进入了3D打印领域。除了3D Systems 和Stratasys公司外，还有德国的Voxeljet和美国的ExOne等其它中小型3D打印制造商。
3D打印技术的应用也从最初的科研研究延展到医学、服装、建筑、加点、机械制造、工业造型等应用领域。
随着全球3D技术的成熟，3D 打印市场步入高增长阶段。Canalys 预计到2018年，3D打印机的市场销售额可达到162 亿美元（包括打印机、材料和相关服务），呈现40%~50%的年均高速增长期。
Juniper Research预计中国3D打印机和相关的材料市场规模将从目前的7 500万美元将增长至2018年的12亿美元，呈现爆发式增长，至2018年占全球市场的份额增加至7.4%。
3D打印与传统技术比较
3D 打印是一种增材制造技术，通过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、采用组成打印的构造物体技术。
相对于传统的材料去除，也就是切削加工技术，增材制造是一种“自下而上”的制造方法，其优势是不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，即可快速精密地造出形状复杂的零件，从而大幅缩短了加工工期。因此，所制产品结构越复杂，其优势就越明显。
3D打印在具备众多优势的同时，目前也存在着不少局限性。比如3D打印所用的耗材非常有限，仅有石膏、无极粉料、光敏树脂、塑料、陶瓷及有限的几种合金，且价格较为昂贵。此外，3D打印机的价格十分高昂，大多桌面级3D打印机售价都在2万元人民币左右，国内仿制品的价格在6 000元左右但质量却难以保证。最后，3D打印在产品精度、生产时长和打印尺寸上都有一定的局限性。
3D打印与传统制造技术的优劣势对比
3D打印在船舶制造行业的应用
近年来，3D打印已经在航空航天、生物、医学应用上取得不少成绩，并且今后也将会大规模应用在其它领域中。虽然3D打印技术在船舶制造行业的应用不时见诸于报端，但还没有得到广泛的应用。这主要由于3D打印的优势不能在船舶制造行业充分发挥而决定。
►3D打印尺寸限制
由于3D打印机是一种包容性的打印设备，产品通常要比打印机小。而船舶制造业的结构尺寸都比目前3D打印尺寸要大很多， 使得3D打印很难打印出合适的造船所需要的结构。
►3D打印材料昂贵
目前，合适3D打印的材料有塑料、陶瓷、多种合金，但这些材料相对于传统造船上大量使用的材料——钢材来说还是贵很多。即使使用现有3D打印中相对较便宜的热塑性塑料，仍比钢材贵很多，并且在船舶制造上并没有太多部件适合热塑性塑料。
►3D打印时效性优势无法发挥
虽然，3D打印无需机械加工或任何模具就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，能极大地缩短产品的研制周期。传统的造船业及配套业通过标准化、规模化的流水线生产方式提高生产效率。而目前3D 打印技术更多用来打印械尺寸小、结构较为简单的零件，不能用来打印复杂的系统，因此如需花费大量的工时来组装3D打印部件。
►3D打印精度不高
由于3D打印是一项新技术，目前3D打印的精度范围在0.01 mm， 远低于传统船舶制造利用“减材制造”所能达到的。另外，通过切割实现机械产品的强度、硬度都远远高于通过3D打印出的产品。
结束语
3D打印技术作为具有前沿性、先导性的新兴技术正在使传统生产方式和生产工艺发生深刻变革。3D 打印能否在传统船舶制造领域得到广泛应用，取决于以下两方面的进步：（1）3D打印技术的发展，出现成熟、稳定的3D打印技术直接可以打印大尺寸、复杂构件的系统；（2）传统的船舶为钢质海船，随着材料技术的发展，如经济的高分子合成材料替代钢质材料，那么用3D打印高分子合成材料海船将成为现实。
目前造船工业的发展主要是靠要素的投入，比如大船坞、大厂房的投入来提高产能。国家在推动传统制造业升级，造船业也在积极推动数字化造船。随着数字化的发展、智能化的提高以及3D打印技术的发展和材料技术的革命性发展， 3D打印也许将对传统造船业产生革命性影响。但在短时间内， 很难对传统造船业有显著影响。
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