3D打印vs傳統(tǒng)制造 顛覆還是融合？

一直以來(lái)，技術(shù)進(jìn)步都在不斷突破人們的想象。3D打印技術(shù)這個(gè)近來(lái)日漸升溫的概念，正在滲透到生產(chǎn)生活的各個(gè)角落，從房子、汽車(chē)，到國(guó)慶期間天安門(mén)廣場(chǎng)的花卉布置，3D打印似乎“無(wú)所不能”。如同在其他工業(yè)領(lǐng)域一樣，3D打印在船舶工業(yè)領(lǐng)域也有望大展拳腳。那么它是否會(huì)對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)形成巨大沖擊，甚至取代后者?日前在北京造船工程學(xué)會(huì)組織召開(kāi)的3D打印技術(shù)專(zhuān)題講座上，有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為，作為一種變革性的制造新技術(shù)，3D打印有望與傳統(tǒng)制造技術(shù)各展所長(zhǎng)，但是難以產(chǎn)生顛覆性的效果。

　　認(rèn)識(shí)3D打印

　　3D打印，是一種利用激光、電子束或其他手段逐層疊加而直接、快速、精確制造零件的技術(shù)。其“打印”過(guò)程，是把通過(guò)設(shè)計(jì)或者掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標(biāo)軸切成無(wú)限多個(gè)剖面，然后一層一層打印出來(lái)并按原來(lái)的位置堆積到一起，形成一個(gè)實(shí)體。

　　俗稱的3D打印技術(shù)，還有一個(gè)學(xué)術(shù)性的名稱，叫“增材制造”。作為中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)王明華帶領(lǐng)的材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員，張述泉用通俗的語(yǔ)言介紹說(shuō)，之所以叫增材制造，是因?yàn)閺脑砩现v，用這一方法制造的零件是“生長(zhǎng)”出來(lái)的，從無(wú)到有，與傳統(tǒng)加工生產(chǎn)的減材方式有所不同。其主要手段，包括熔合焊接、燒結(jié)、黏結(jié)，從整體而言，是一種集零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料的制備方式和零件的加工方法為一體的先進(jìn)技術(shù)。

　　憑借計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、無(wú)模具、無(wú)工裝等特點(diǎn)，3D打印這一“逐層增加材料”的數(shù)字制造技術(shù)充分體現(xiàn)出其變革性。來(lái)自中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司經(jīng)濟(jì)研究中心的曹林指出，在具體的制造過(guò)程中，這一技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)，優(yōu)勢(shì)盡顯。從制造周期來(lái)講，3D打印省去了傳統(tǒng)模具制作過(guò)程，使得制作周期大大縮短，一般幾個(gè)小時(shí)，甚至幾十分鐘，就可以完成一個(gè)模型的打印。從使用材料來(lái)看，3D打印系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同材料的打印，來(lái)滿足不同領(lǐng)域的需要。例如，金屬、石料、高分子材料都可以應(yīng)用于3D打印。與此同時(shí)，傳統(tǒng)金屬加工過(guò)程中有大量金屬原材料被丟棄，而3D打印過(guò)程中金屬的浪費(fèi)量明顯減少。

　　當(dāng)然，成本也是一個(gè)關(guān)鍵因素。在這方面，3D打印的特殊之處在于，一方面，不管是一個(gè)模型還是多個(gè)，都以相同的成本打印出來(lái);另一方面，傳統(tǒng)方式制造的物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高，而利用3D打印技術(shù)制造形狀復(fù)雜的物體，成本不會(huì)隨之增加。曹林坦言：“在現(xiàn)階段，金屬材料3D打印具有較高的直接制造成本。從成本構(gòu)成來(lái)看，設(shè)備和材料占據(jù)主體部分，但隨著技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，這兩方面都存在較大的下降空間，因而有望在未來(lái)帶動(dòng)直接制造成本的下降。”

　　關(guān)注實(shí)際應(yīng)用

　　任何一種技術(shù)要想擁有生命力，都不能“只中看不中用”，因此實(shí)際應(yīng)用可謂關(guān)鍵。張述泉介紹說(shuō)，用3D打印技術(shù)制造的產(chǎn)品具體可分為三大類(lèi)，而每一類(lèi)都有著各自的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，非金屬模型樣件主要用于文化藝術(shù)創(chuàng)意領(lǐng)域的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，非金屬生物醫(yī)學(xué)“支架”主要用于人體器官的體外或體內(nèi)“培養(yǎng)”等，而高性能金屬構(gòu)件則主要用于包括船舶工業(yè)在內(nèi)的國(guó)防及工業(yè)重大裝備制造領(lǐng)域。

　　美國(guó)專(zhuān)門(mén)從事增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)的Wohlers協(xié)會(huì)在2012年度的一份報(bào)告中指出，在過(guò)去的幾年中，航空零件制造和醫(yī)學(xué)是3D打印增長(zhǎng)最快的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，其在消費(fèi)產(chǎn)品和電子領(lǐng)域、汽車(chē)領(lǐng)域、工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域均得到不同程度的應(yīng)用。而根據(jù)最近的媒體報(bào)道，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家一些從事3D打印設(shè)備生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)的公司，已經(jīng)將目光瞄準(zhǔn)了市場(chǎng)規(guī)模巨大的船舶和海洋工程裝備制造業(yè)。

　　曹林認(rèn)為，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)的影響。然而，實(shí)際情況如何呢?據(jù)介紹，有關(guān)部門(mén)組織的調(diào)研結(jié)果顯示，目前在國(guó)內(nèi)，3D打印技術(shù)還處于起步階段，應(yīng)用相當(dāng)有限。已經(jīng)涉足過(guò)3D打印技術(shù)領(lǐng)域的有中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第十二研究所等4家單位。然而從這幾家單位的實(shí)踐來(lái)看，其應(yīng)用要么是由于資金或者市場(chǎng)需求不足等原因而擱置，要么是專(zhuān)注在船舶之外的民用產(chǎn)品領(lǐng)域，也就是說(shuō)，幾乎沒(méi)有真正用在船舶領(lǐng)域。

　　不過(guò)，3D打印在船舶工業(yè)的應(yīng)用前景仍然是光明的，這當(dāng)然也取決于3D打印所擁有的種種優(yōu)勢(shì)。據(jù)了解，包括研發(fā)設(shè)計(jì)、船舶建造、配套設(shè)備制造、維修保障在內(nèi)的船舶工業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)，都能用得上3D打印技術(shù)。具體而言，在研發(fā)設(shè)計(jì)階段，利用3D打印技術(shù)制造新模型，可以更好地驗(yàn)證和改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)及思路，提高設(shè)計(jì)水平與效率。在船舶建造階段，3D打印不受曲率和形狀的限制，非常適合空間曲面結(jié)構(gòu)零件的制作;可以有效解決三維曲面外板成型困難、制作效率低的問(wèn)題;無(wú)須焊接，可提高建造效率，縮短建造周期。在船舶配套設(shè)備領(lǐng)域，根據(jù)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，其主要應(yīng)用方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品及其他設(shè)備機(jī)械部分的研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造，如活塞式內(nèi)燃機(jī)的機(jī)體、缸蓋及齒輪箱模具等。在維修保障方面，由于3D打印技術(shù)能夠直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，因此將給船舶的維修保障帶來(lái)重大變化。

　　張述泉也認(rèn)為，未來(lái)，高性能金屬構(gòu)件3D打印的一個(gè)主要發(fā)展方向，便是高性能難加工大型金屬構(gòu)件的制造，其主要應(yīng)用領(lǐng)域就是國(guó)防和工業(yè)重大裝備，包括航空航天、船舶、石油化工、電力等行業(yè)的大型裝備。面對(duì)這些工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的大型化、整體化和輕量化趨勢(shì)以及高性能、高可靠性、高壽命要求，3D打印將有效解決現(xiàn)有工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中難以破解的大型裝備和大型零件等的制造難題。

　　并非“萬(wàn)能神器”

　　看起來(lái)，3D打印相較于傳統(tǒng)制造技術(shù)有著種種優(yōu)勢(shì)，甚至有可能撼動(dòng)其地位。然而，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家并不這樣認(rèn)為，他們呼吁理性認(rèn)識(shí)3D打印這一新技術(shù)。“盡管作為一種變革性的制造新技術(shù)，3D打印的發(fā)展?jié)摿薮螅撬c傳統(tǒng)制造技術(shù)同為制造技術(shù)大家庭的成員，各有所長(zhǎng)。”張述泉進(jìn)而指出，3D打印并不會(huì)顛覆或者取代傳統(tǒng)的制造技術(shù)。他認(rèn)為，3D打印有一定的適用范圍，包括利用貴而難加工的材料進(jìn)行制造以及制作大而復(fù)雜的高性能整體構(gòu)件等。

　　“3D打印技術(shù)還處于初級(jí)發(fā)展階段，并不是‘萬(wàn)能神器’。”曹林對(duì)此表達(dá)了同樣的觀點(diǎn)，并且建議，當(dāng)前對(duì)于已經(jīng)成功應(yīng)用3D打印技術(shù)制造的模型和產(chǎn)品，可在船舶工業(yè)中大力推廣應(yīng)用。尤其是在研發(fā)設(shè)計(jì)階段，3D打印能夠與傳統(tǒng)制造技術(shù)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印在現(xiàn)有基礎(chǔ)上也有望發(fā)揮更大的作用，從而真正與傳統(tǒng)制造技術(shù)在各自的“勢(shì)力范圍”內(nèi)顯身手。曹林表示，從中期看，一批船用復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、特種零件、合金構(gòu)件、復(fù)合材料構(gòu)件的3D打印制造及修復(fù)技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)突破，并最終朝大型化、輕量化方向發(fā)展。

　　當(dāng)然，這樣的變化不是一朝一夕就能實(shí)現(xiàn)的，而是需要集結(jié)各方力量予以推動(dòng)。曹林認(rèn)為，3D打印涉及從基礎(chǔ)科學(xué)、工程化應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化的各個(gè)層次，因此需要整合國(guó)內(nèi)產(chǎn)、學(xué)、研相關(guān)資源，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)3D打印在船舶工業(yè)的體系化發(fā)展。

　　針對(duì)目前的技術(shù)發(fā)展水平，曹林提出了具體建議：由于3D打印的前提是有三維模型可供打印，但目前船舶工業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)仍然以二維設(shè)計(jì)為主，因此要實(shí)現(xiàn)3D打印，需要進(jìn)一步提升產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計(jì)能力和水平;應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究，了解各種材料的局限性和優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合企業(yè)需求，掌握3D打印材料和現(xiàn)有材料在性能、成本等方面的互換性;立足現(xiàn)有技術(shù)，引進(jìn)可用于船舶工業(yè)的成熟3D打印技術(shù)及相關(guān)工藝，并有針對(duì)性地開(kāi)展可行性研究，條件成熟后可逐步開(kāi)展工藝驗(yàn)證和樣件試制;積極開(kāi)展原材料以及打印設(shè)備方面的標(biāo)準(zhǔn)研究。“從長(zhǎng)期看，3D打印技術(shù)有望引領(lǐng)未來(lái)船舶工業(yè)的發(fā)展方向，推動(dòng)現(xiàn)有船舶工業(yè)體系的變革。”曹林這樣認(rèn)為。