增材制造或?qū)⒁�領(lǐng)船舶工業(yè)“新蝶變”

談到增材制造（Additive Manufacturing，AM）很多人都不陌生，伴隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是金屬3D打印技術(shù)近年來取得的進(jìn)展，增材制造技術(shù)的應(yīng)用已不僅僅局限于快速響應(yīng)產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了金屬功能零件的直接制造。當(dāng)前，通過金屬增材制造技術(shù)制造的金屬材料零部件越來越多的被成功應(yīng)用于航空航天，國防軍工、醫(yī)療器械、汽車制造、注塑模具以及船舶等領(lǐng)域。

增材制造是相對于減材制造（Subtractive Manufacturing，SM）而言的一項(xiàng)技術(shù)。減材制造是在一個(gè)基礎(chǔ)坯料上，按照工藝路線，用機(jī)床和刀具進(jìn)行切削，使留下的部分成為所需要的型面，整個(gè)過程猶如“減法”；而增材制造是利用數(shù)字化技術(shù)，由零件的三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，通過材料的累加，直接制造出所需零件，整個(gè)過程是做“加法”，恰如一個(gè)神奇的生長過程，零件從無到有，越長越大，直至成形。

由達(dá)門集團(tuán)、 RAMLAB、 Promarin、Autodesk和法國船級(jí)社合作研制的3D打印螺旋槳WAAMpeller

政策導(dǎo)向
2017年，12月14日，國家十二部門聯(lián)合發(fā)布《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017~2020年）》，將航空、航天、船舶等列為實(shí)現(xiàn)增材制造技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，相對常規(guī)的減材制造來說，增材制造具有自身的優(yōu)勢，也有自身的局限性和需要突破的瓶頸。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，在船舶領(lǐng)域大力發(fā)展增材制造，將對我國船舶工業(yè)的智能制造以及生產(chǎn)效率和水平的提高起到積極的促進(jìn)作用。

《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》（以下簡稱《行動(dòng)計(jì)劃》），明確提出到2020年實(shí)現(xiàn)五大目標(biāo)：

一是產(chǎn)業(yè)保持高速發(fā)展，年均增速在30%以上，2020年增材制造產(chǎn)業(yè)銷售收入超過200億元；
二是技術(shù)水平明顯提高，突破100種以上滿足重點(diǎn)行業(yè)需求的工藝裝備、核心器件及專用材料；
三是行業(yè)應(yīng)用顯著深化，開展100個(gè)以上試點(diǎn)示范項(xiàng)目，在重點(diǎn)制造（航空、航天、船舶、核工業(yè)、汽車、電力裝備、軌道交通裝備、家電、模具、鑄造等）、醫(yī)療、文化、教育等四大領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用；
四是生態(tài)體系基本完善，形成完整的増材制造產(chǎn)業(yè)鏈，計(jì)量、標(biāo)準(zhǔn)、檢測、認(rèn)證等在內(nèi)的生態(tài)體系基本形成；
五是全球布局初步實(shí)現(xiàn)，培育2～3家以上具有較強(qiáng)國際競爭力的龍頭企業(yè)，打造2～3個(gè)國際知名名牌，一批裝備、產(chǎn)品走向國際市場。

增材制造在船舶工業(yè)有多“火”？
增材制造技術(shù)從20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)以來，經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前已趨于成熟并初步形成體系，并呈現(xiàn)出美國主導(dǎo)、歐洲協(xié)同發(fā)展、日本追隨、中國后發(fā)的基本格局。國際上金屬精密數(shù)字化增材制造設(shè)備供應(yīng)商主要有德國EOS公司、英國Renishaw公司、美國3D Systems公司等，近年來，也出現(xiàn)了中國企業(yè)的身影。我國增材制造設(shè)備產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品目前已接近國外產(chǎn)品水平，一改此類設(shè)備早期依賴進(jìn)口的局面。

作為制造業(yè)的組成部分，船舶工業(yè)將不可避免地受到3D打印技術(shù)的重大影響。首先，該技術(shù)將加快船舶工業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)速度，降低開發(fā)成本。由于成型的便利，利用該技術(shù)可以更好地驗(yàn)證和改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)和思路，提高設(shè)計(jì)水平和效率。比如，設(shè)計(jì)一個(gè)新的零部件時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以同時(shí)拿出10種方案，并通過3D打印快速驗(yàn)證其合理性。即使是較大的船體設(shè)計(jì)也可以通過縮小比例的方式快速制作模型，這將極大地激發(fā)設(shè)計(jì)人員的積極性，降低產(chǎn)品研發(fā)成本。

其次，能使配套產(chǎn)品生產(chǎn)更加經(jīng)濟(jì)快捷。由于船舶配套產(chǎn)品批量小，不少屬于定制性產(chǎn)品，3D打印可以隨時(shí)調(diào)整參數(shù)，更低成本地進(jìn)行小批量甚至單件產(chǎn)品的生產(chǎn)。同時(shí)，該技術(shù)可給配套產(chǎn)品的維修服務(wù)帶來極大便利。在艦船上，一些零部件需要更換時(shí)，只需將其原理圖發(fā)送到最近的3D打印機(jī)上，然后將必要的耗材放入3D打印機(jī)中即可制造出來。

再次，其能夠生產(chǎn)傳統(tǒng)加工方法難以制造的產(chǎn)品，并且精度和光順度更高。傳統(tǒng)的制造方法是削除法，要通過多維加工將毛坯上不需要的地方切掉，一些復(fù)雜的產(chǎn)品及外板等用這種方法加工起來十分困難。利用三維設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)則可在一臺(tái)設(shè)備上快速而準(zhǔn)確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，解決了許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形問題，并且加工精度的提高使產(chǎn)品的性能更好。

全球?qū)υ霾闹圃煸诖�舶領(lǐng)域的應(yīng)用研究也已取得了較大進(jìn)展，業(yè)內(nèi)已成功打印出種類繁多的產(chǎn)品和零部件，如螺旋銷、軸瓦、箱式熱交換器、螺旋槳等。在韓國，現(xiàn)代重工宣布在韓國蔚山設(shè)立蔚山創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)革新中心。在歐洲，羅爾斯·羅伊斯公司已在船用柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)中應(yīng)用了增材制造技術(shù)。鹿特丹港RAMLAB增材制造中心則希望利用增材制造技術(shù)為鹿特丹港的大型船舶提供快速維修服務(wù)。

鹿特丹港RAMLAB利用混合增材制造技術(shù)生產(chǎn)了世界首個(gè)通過船級(jí)社認(rèn)證的船用螺旋槳。

在船舶增材制造方面，中國是后來者，但近年來技術(shù)進(jìn)步迅速。我國船舶工業(yè)體系內(nèi)已開展了增材制造金屬粉體材料、金屬激光燒結(jié)和電子束燒結(jié)成型工藝、增材制造設(shè)備等方面的研究工作，并取得了一系列成果。

據(jù)了解，中國船舶重工集團(tuán)有限公司下屬一家研究所對多種金屬增材制造材料特性進(jìn)行了研究，包括不銹鋼、高/低碳合金鋼、鎳基合金、鈷基合金、鈦合金等。通過多年項(xiàng)目研究和產(chǎn)品開發(fā)，目前，該所已開發(fā)了低碳合金鋼、高碳鋼、鈦合金等增材制造工藝，其中，合金鋼增材制備技術(shù)可以獲得強(qiáng)度達(dá)到500兆帕、規(guī)格大于300毫米×300毫米×300毫米的部件，增材修復(fù)部件體積可達(dá)2米×2米×1米，結(jié)合強(qiáng)度最高可達(dá)800兆帕；研制了直接送粉工藝，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維曲面制造。

中船重工另一家研究所則成功研制了TC4、Ti80等鈦合金粉末，粉末質(zhì)量、性能達(dá)到增材制造要求；開展了空間曲面增材制造工藝、激光燒結(jié)工藝、鈦合金電子束熔絲沉積制造工藝研究，開展了鈦合金電子束熔絲沉積工藝初步研究，采用電子束熔絲沉積制造技術(shù)制備了典型一維和二維形狀材料。

中國船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司下屬一家研究所正利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)鈦合金葉輪，并進(jìn)行螺旋槳的試制。

增材制造對船舶工業(yè)影響幾何？
目前，增材制造技術(shù)已應(yīng)用于產(chǎn)品的開發(fā)、驗(yàn)證、制造和維修等環(huán)節(jié)，一些企業(yè)通過增材制造技術(shù)成功解決了生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

由于省去了復(fù)雜的模具開發(fā)過程，增材制造可以大幅縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期，加快產(chǎn)品研制進(jìn)度。增材制造具備‘貼近用戶’（定制化、本地化生產(chǎn)和交付）的潛能，可在一定程度上改變現(xiàn)有的生產(chǎn)、倉儲(chǔ)和物流方式。

當(dāng)然，作為一項(xiàng)正在發(fā)展中的制造技術(shù)，增材制造的成熟度還遠(yuǎn)不能同金屬切削、鑄、鍛、焊、粉末冶金等制造技術(shù)相比。未來要實(shí)現(xiàn)增材制造技術(shù)在船舶領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用，還需要解決4個(gè)問題：
材料特性要適應(yīng)增材制造的特點(diǎn)，如要保證材料固化后強(qiáng)度的均勻性和形狀的保持性等；
純增材制造的形狀精度保證問題；
規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制造過程中材料和性能不均勻性的接受程度和檢驗(yàn)手段問題；
四是智能化的增材制造設(shè)備的開發(fā)和研制問題。

后記
增材制造技術(shù)改變了傳統(tǒng)的制造方式，為復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)功能件的直接制造提供了新思路，對于制造業(yè)而言有著廣闊的應(yīng)用前景。未來金屬3D打印機(jī)將會(huì)越來越多的取代部分傳統(tǒng)加工制造設(shè)備，但是增材制造技術(shù)也有其缺陷與不足，并不能完全取代減材制造，而是并列互補(bǔ)的關(guān)系。

來源：焊割在線