【解析】3D打印技术在船用柴油机领域的应用前景分析

近年来，3D打印技术发展势头迅猛，已被广 泛地运用于航空航天、汽车零部件、重大装备、文 化创意、生物医学等领域 ，根据美国添加制造技术咨询服务协会Wohlers在2013年发布的年度 报告，3D打印产品在2013年全球市场规模约为40亿美元，相比2012年市场年均复合增长率近100%，预计到2017年3D打印市场份额将达到50～60亿美元左右。但是在船舶行业的应用鲜有 报道，作为一种新兴的制作技术，有必要了解其原 理及其在船用柴油机中的应用前景。

1 3D打印技术基本原理
1.1 3D打印技术原理
根据维基百科对3D打印技术的解释 ：“它运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过一层又一层的多层打印技术，来构造零部件。 ”通俗地说，3D打印就是在普通二维打印的基础上再加一维，之所以还称之为“打印”，则是因为其借鉴了二维打印的技术原理，分层加工的形式和喷墨打印的过程相似，只不过打印的材料是“实物”而不是“墨水”。3D打印技术的原理如图1所示，首先通过一组平行平面去截零件，得到一系列足够薄的切片（一般为0.01～0.1mm）或者称之为二维零件模型，然后按照一定规则堆积起来即可得到整个零件。

1.23D打印技术工作流程
根据3D打印技术的原理，在进行实物打印时 需要以物体三维数字模型为基础，输出利用三角面模拟几何模型的STL格式几何文件给专业分层软件，利用软件将三维模型分层离散，根据实际层面信息进行工艺规划并生成供打印设备识别的驱动代码，根据代码命令利用不同技术方式的打印设备，再使用激光束、热熔喷嘴等方式，将金属、陶瓷等粉末材料或纸、聚丙烯等固体材料以及液体树脂、细胞组织等液态材料进行逐层堆积黏结成型，最后再根据打印设备技术特点进行固化、烧结、抛光等后处理  。其工作流程如图2中所示。

2国内发展现状
近年来随着国际和国家层面对3D打印技术的关注和支持，国内研究持续火热，为整合资源，形成设备、材料全产业链开发，将整个产业做大做强，高校和地方政府结合组建产业联盟的形式逐渐兴起 ，已经成立的有中国3D打印产业联盟、陕 西省3D产业创新平台、浙江省3D打印产业联盟等，上海、南京等地也在逐渐酝酿成立3D产业联盟。 3D产业技术在20世纪90年代初由清华大学颜永年教授引入国内，但是由于和CNC加工中心存在竞争关系，往往只作为CNC的补充，多停留在高校研究和教育培训领域。


而国内企业产品多以自主开发桌面级产品，同时代理国外工业级产品的模式为主，产业化进程缓慢，自主开发的产品在成型精度、成型速度以及产品稳定性方面和国外产品尚存在一定差距。高附加值的粉末等原材料开发工艺能力不足，企业 经营模式也较为单一。 近年来随着3D打印技术的进步和国外市场的推动，国内西安交大的卢秉恒院士等团队、湖南华曙等企业，在解决激光成型中变形开裂，尼龙烧结材料研制等方面均取得了一定的成果，特别是在航 天领域已经达到世界先进技术水平  。

3 3D打印技术优缺点分析
3.1 3D打印技术的优点
3D打印技术的主要优点：
（1）设计制造快速一体化。由设计三维模型直 接驱动制造，通过三维模型识别、分层转换、代码生成、叠加成型等一系列过程，在一定程度上实现了设计、制造一体化。这样就可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转换成真实的产品模型，从而可以对正处于设计阶段的产品做出快速评价、修改及功能试验。
（2）高效率生产。可以实现无人操控的自动生 产，且无需开发模具，产品周期可以缩短近4/5；零件的形状和结构设计也没有任何约束，有利于激 发设计的思维活跃度，实现个性化和定制化，基于拓扑设计优化的复杂模型的直接制造也成为可能。
（3）材料丰富。材料没有限制，树脂、塑料、陶瓷、纸质、金属亦或复合材料都可以使用，甚至 可以根据零件实际功能要求实现不同部位不同材料。
（4）低研发成本。与传统“去材制造”有别，无需初始生产线和模具投入，一次打印完剩余的原材料还可重复利用，提高了材料和能源的利用效率，大幅度减少了原材料消耗浪费以及对环境地破坏。

3.23D打印技术的缺点
从中长期看，3D打印技术具有较为广阔的发展前景，但目前产业化距离成熟阶段尚有较大距离，3D打印技术还须进一步克服以下缺点：
（1）尺寸限制明显，制造成本高，金属材料种类偏少；大型零件打印时间太长，与传统加工方式相比没有优势；现有3D打印机造价普遍较为昂贵，金属3D打印机的售价一般要400～500万以上，有的甚至过千万；材料粉末价格比材料本身高10倍以上，且目前可用的金属材料种类较少，这都给其进一步普及应用带来了困难。
（2）精度和效率难平衡，无法满足高效生产。目前3D打印成品的精度还不尽如人意，表明光滑度与产品要求仍差距明显，打印效率与铸造等批量生产方式相比，产能还远不能满足大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突，制造精度与制造效率的平衡问题还有待解决。
（3）金属零件工作强度偏低。目前，3D打印技术的金属构件无法达到高温、重载、冲击等极其严酷的工况的要求，还须配合后续的致密性处理，如静压处理等；经过加工后，堆积成型产品的韧性与强度等都有待进一步提高。
（4）打印过程可能造成人体危害，产业环境急须立法完善。3D打印部分设备由于原料为粉末，在成品后处理过程中不可避免会产生一定的粉尘，可能会对人体呼吸道和肺部带来一定的疾病隐患。同时，由于3D打印产品更容易被复制和扩散，产品设计和生产各阶段都存在一定的侵权风险，容易 引起知识产权纠纷，急须立法保护。


3.3 3D打印技术的发展趋势
随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术与装备将以数字化、网络化为基础，向个性化、精密化、智能化、通用化以及便捷化等方向发展。

（1）工艺和设备开发。提升3D打印技术的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品制造，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求，可以直接打印出尺寸更大的零件。
（2）材料验证。开发多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、相变零膨胀材料、非均质材料及复合材料等，在扩展3D打印技术应用范围的同时降低打印成本。
（3）软件升级。软件集成化，实现设计加工制造一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，减小数据处理误差，实现设计者直接联网控制的远程在线制造。
（4）拓展应用领域。在生物医学、建筑、车辆、服装、能源等领域的应用得到进一步拓展。


4 3D打印在船用柴油机领域的应用前景
目前，3D打印技术应用最为广泛的是消费品， 电子、交通设备和医疗三大领域，在船用柴油机领域的应用鲜有报道，这和3D打印的技术特 点、技术现状以及船用柴油机自身的特点有关。 船用柴油机属于传统制造业，零件尺寸往往较大，使用材料没有特殊要求，而3D打印机的打印尺寸有限且打印材料成本往往远高于材料本身价格，因此船用柴油机领域还不具备批量的直接进行金属打印的条件。但是根据3D打印技术的特点和优势，可以在样机研发过程中作为缩短开发周期和改进设计的有力手段进行多方面尝试。


4.1快速原型
利用3D打印技术可以快速地使设计模型可视化。基于打印的快速原型可以检查实体模型的设计情况，进行模型改进和优化；对于须要检查装配情况的模型，可以不考虑材料和强度，在保证精度的情况下利用廉价材料快速造型，进行装配检查，节省设计时间。 除了快速打印原型零件进行设计和装配检查外，还可以打印特殊的试验件，快速响应试验需求。如直接利用树脂材料打印多方案气道吹风试验样件（图3），可以有效缩短制作“木模—砂模—铸造原型”的时间；由于跳过了前期高额的样件制造所需的模具费用，且可以自由设计，省却了多余材料，直接打印成型，可以大幅缩短开发成本。

4.2快速铸造
在产品开发过程中，模具的形状和加工周期是制约整个产品生命周期的重要因素，也是目前3D打印技术与实际工业联系最为紧密的应用。对于尺寸较大的船用零部件，受限于金属打印的尺寸限制，直接打印出金属模具困难较大，但是可以应用无模快速铸造。 以往船用柴油机的复杂结构零件铸造工艺都是通过三维CAD模型得到三维砂芯模型，然后建立符合工艺要求的三维砂芯模具模型，制作砂芯模具，通过翻砂制作砂芯，再进行浇铸等。


利用3D打印技术中的无模铸造技术直接制作出符合铸造要求的零件砂芯，可以简化传统铸造工艺，同时保证不同模具之间带来的容差型，提高效率、降低成本。 由于船用柴油机机体和缸盖内部结构复杂，依靠传统的设计制造方法，仅铸造模具、修改模具等环节就需要近半年的时间，而且机体和缸盖等内部存在多处自由曲面，采用传统方法制造很难保证曲面精度。而采用无模铸造技术，先制作出用于铸造的砂型，再浇铸成机体和缸盖，不但可以极大地保证模具精度，更为重要的是，大大节省了时间。与传统方法相比，采用无模铸造技术可以将成品时间缩短2/3。图4为几个无模制作实例。

同理，进排气管、增压器罩壳和油泵罩壳等部件也可以利用同样的方法进行快速铸造；除此之外，还可以直接打印蜡模，用于增压器涡轮叶片等部件的熔模精密制造，以避免薄壁热开裂现象。


4.3快速制造
近几年来，随着3D打印技术材料的丰富和打印精度、打印尺寸的进步，利用3D打印技术的优势和特点，越来越多的小批量、定制化和高设计附加值的产品开始直接进行成品打印。 在船用柴油机领域，同样受限于金属材料的打印尺寸，目前尚不能打印大尺寸零件，但是可以对增压器涡轮叶片、气门和气门座圈等尺寸容差率和精度要求高的高温合金材料零件进行直接打印成型；也可以解放设计束缚，进行快速混合制造，即对于零件好加工的部分采用传统制造方式，难加工的部分直接3D打印；或者对于像ECU插板（图5）等非金属件进行自由设计和打印。


另外，利用3D打印技术的优势突破以往加工 限制，设计中空零件或者复合材料零件；对于冷却水道等受限于制造工艺的部位进行优化设计，为设计带来新思路。

4.4快速修复
近年来在航空航天领域，对于容易损坏且造价较高的钛合金叶片等零件常常利用3D打印中DMD（DirectMetalDeposition金属送粉沉积）技术灵活牢固的特点，进行直接修复（图6），或对耐磨材料进行金属涂覆。

对于船用柴油机来说，曲轴主轴瓦等零部件造价较高且极易磨损，可以利用3D打印技术对该类零件损坏处进行修复或者添加高温镍基合金等材料作为涂层，以提高其耐磨性能和疲劳寿命。

3D打印技术作为一种“增材制造”技术，近年来受到了越来越多的关注，其设计制造一体化，适合小批量、定制化和个性化制造的技术优势和特点，推动其在航空航天、汽车、医疗制造业等领域的应用。 船用柴油机作为传统行业有其自身的特点，目前3D打印技术的水平还无法挑战传统工艺在船用柴油机领域中的地位，但是3D打印技术具有广泛的应用潜力，可以作为传统工艺的一种有利补充，应用在小批量产品研发和试验件制造。随着3D技术的进步，材料的丰富和打印成本的降低，相信未来其在船用柴油机中的应用会越来越广泛。

编辑：南极熊
作者：李 佳，张纪可，冯明志 （七一一研究所）

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