张鹏
天津德赛海洋船舶工程技术有限公司 天津市 300450
摘要：在当前船舶制造产业运行的过程中，其技术形式在创新发展中发生了一定的转变，从而推出了金属增材制造的技术形式。在这种转变背景下，实现了船舶制造技术的创新，并充分满足了现代化的项目设计需求。在增材制造技术运用中，主要是通过计算机控制，实现三维数字模型的离散化处理，并逐渐实现对材料的积累，提高船舶成型中的柔性，而且，在这种技术使用的过程中，可以充分实现结构功能设计的一体化，因此，该种技术在现代船舶制造中得到了广泛运用。
关键词：金属增材制造；船舶结构设计；应用展望
1导言
金属增材制造技术尚由于材料成本高，产品质量难以评估等原因只适合小批量小尺寸生产，并未大规模的运用到舰船结构的设计生产中，但是伴随着增材制造技术的不断发展与提高，相信在不久的将来，对于船用复杂结构零件、合金构件、特种零件的增材制造及修复技术将得到突破，并最终向大型化、批量化生产的方向发展。增材制造技术必将引领船舶工业未来的发展方向，推动船舶工业体系的变革。本文基于金属增材制造技术的概述，对其在国内外舰船结构设计中的研究应用情况进行了概括总结，并分析了其应用于船舶制造业的技术优势和瓶颈，为今后金属增材制造技术广泛应用于船舶制造业打下良好的理论基础。
2金属增材制造概述
2.1金属增材制造技术的分类
增材制造技术是综合多学科的新技术，相对于传统制造（以减材制造的机械加工和以等材制造为主的铸、锻等）技术而言，金属增材制造技术虽然发展时间并不长，却已经在航空航天行业得到了广泛应用。根据粉末放置方式及激光与粉末相互作用的不同，可分为基于同轴送粉的激光直接制造（DirectLaserFabrication，DLF）、基于粉床铺粉的选择性激光熔融制造（SelectiveLaserMelting，SLM）和基于旁轴送粉末的激光熔覆（LaserCladding，LC）等[5]。美国利用DLF（DirectedLaserFabrication）技术和设备制造出飞机部件；德国利用SLM（SelectiveLaserMelting）技术制造出航空发动机的燃烧室及喷气涡流器；英国研究机构用激光熔覆技术修复了Trent500航空发动机密封圈，并成功制造出样件；中国西北工业大学的激光快速成形LRF（LaserRapidForming）以及之后出现的TIG电弧和电子束增材制造，均属于金属增材制造的范畴，都是通过CAD建模、切片分层，主要实现手段则是通过激光或者电子束将粉末状材料或者丝状材料进行熔化沉积，然后层层铺叠，从而实现快速成形。金属增材制造技术作为一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术发展到如今，在航空航天业展示了广阔的应用前景。
2.2金属增材制造的优势性
通过对金属增材制造方法的研究可以发现，将其运用在船舶制造产业中，其优势体现在以下几个方面：第一，在船舶制造的过程中，海工装备有一定的稀有金属以及贵重金属材料，通过金属增材制造技术的运用，可以节约这些材料的使用，以便实现船舶制造的价值性；第二，在金属增材制造的过程中，通过该种技术的利用，可以实现对模型的有效打印，并避免焊接连接中裂缝现象的出现，从而实现海洋高压容器的有效密封；第三，与传统的加工技术相比，这种技术形式可以在根本上解决工作难度大、生产周期长的问题，从而有效缩短工作时间，降低船舶制造的成本。第四，通过金属增材制造技术的利用，可以促进船舶产业的稳定发展，满足行业发展的现代化需求。
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2.3金属增材制造的船舶结构设计制约因素
首先，制造成本太高，不具备规模经济的优势。增材制造的金属部件每克售价10～100元，价格在黄金和白银之间，王华明利用增材制造技术生产的飞机次承力结构件，几十公斤，成本120万。增材制造技术生产的家用金属用具成本是传统生产成本的1000倍，所以多适合生产难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件。
其次，晶粒尺寸、晶粒形态和晶体取向难以控制。激光加工过程中，熔池的凝固行为对激光增材制造最终成形件的综合性能具有至关重要的影响。凝固速率过慢引起的晶粒粗化将极大地降低材料强度；凝固速率过快易造成制件内部微裂纹和孔隙等加工缺陷，导致制件使用过程中提前失效。同时，伴随凝固行为产生的残余应力和应力集中问题与制件尺寸精度和表面粗糙度有密切联系。南京航空航天大学一直致力于这一领域的研究，并取得了突出的成就，但仍具有很大的发展空间。
最后，凝固组织、内部缺陷质量控制，及无损检验关键技术难度大。金属增材制造虽然发展了近30年，但国内外都鲜像传统加工方法那样有一套生产制备检验的规范流程，缺乏相关体系标准，生产过程中出现的裂纹、残余应力都没有办法及时监测和有效避免。此外由于冷却速度太快，内应力大，容易产生内部缺陷。裂纹一旦形成，高速扩展，晶粒组织难以控制。而舰船行业往往对零件性能的要求很高，一定程度上制约了金属增材制造技术的兴起与发展。
3金属增材制造技术的国内外应用概况
3D打印技术自从20世纪80年代中期出现以来，经过三十年的发展，特别是近几年该技术已趋于成熟并初步形成规模化体系；同时，全球3D打印综合竞争态势也呈现“美国主导、欧洲协同发展、日本追随、中国后发”的基本格局。第一代3D打印机诞生于20世纪80年代中后期，主要是以粉末粘结技术打印非金属模型；到了后期以开发模具为主，逐步演变为快速制造。第二代3D打印机是在最近几年由模具模型发展到能够打印出高精度的功能性产品，并在航空、航天、航海等领域得到应用。
第三代3D打印机可能在未来10年内诞生，是在智能制造的大背景下，将3D打印技术与物联网技术、大数据、云计算、机器人、智能材料等其他先进技术结合，成为若干智能制造平台上的某个部分。在金属精密数字化增材制造设备中，德国公司产品占据目前全球大部分份额；目前，国外金属精密数字化增材制造设备供应商有德国EOS公司、德国ConceptLaser公司、德国DMG、德国RealizerGMbH公司、德国SLMSolutinsGmbH公司、英国Renishaw公司和美国3DSystems公司等。采用SLM（选择性激光熔融）技术的德国ConceptLaser公司生产的X2000R机型能够打印的最大尺寸为800mm×400mm×500mm。而采用同轴或者旁轴送粉的激光制造技术的机型则打印尺寸没太多限制，可以打印尺寸数米长的零件，只不过尺寸精度、表面质量及致密度相比较SLM技术的设备要差很多。
（下转第235页）金属增材制造技术在我国的航空航天事业中广泛开展，并取得了较为突出的成就，在全球范围内首屈一指。现阶段生产的机翼根部受力件，通过增材制造的方法制备出来是136kg，传统的锻件是1706kg，节省材料90%以上，且各项性能测试优于传统锻件。我国也因此一跃成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术的国家。我国具有自主研发知识产权的C919大型客机，其主挡风玻璃窗也是由相关专家运用金属增材制造的手段研制的，双曲面窗框。原本只有欧洲有家公司能做，周期2年，不仅需先付200万美元模具费，而且零件非常贵。除此之外，还科利用增材制造技术攻克了航空发动机高温合金涡轮盘，超强钢飞机起落架等诸多关键零部件的生产。这些虽然不是对船舶制造业的直接研究，但为今后此领域各项研究的开展奠定了坚实的基础，极富指导意义。
4基于金属增材制造的船舶结构设计应用展望
4.1大型复杂零件的精密铸造设计
在船舶制造产业中，对零部件尺寸的要求相对较高，一些金属增材制造技术直接运用在设计中，可以实现对成本控制以及生产效率提升，充分满足大型复杂零部件的设计需求。在现阶段一些船舶制造企业中，通过激光技术的运用，可以实现快速成型的制造方法，提升了项目设计的整体效率。而且，在增材制造技术中，通过选取激光烧结技术，可以直接进行熔模的制造，这种方法与传统的模具制造方式相比，可以有效缩短生产周期，并提高零件设计的精密性。例如，在北京龙源自动生成系统开发中，通过这种技术的使用，研发出了多款设备，可以快速完成砂型及蜡型的增材制造。因此可以发现，在金属增材制造技术中，可以为船舶及海工领域中的复杂零件设计提供良好的整合办法，促进传统制造工艺与现代技术设计方案的有效融合，充分满足船舶设计中增材制造技术的使用需求，为现代船舶制造产业的发展提供良好支持。所以，在现阶段船舶制造产业中，相关设计者应该认识到这种技术的优势性，通过技术的使用分析，缩短船舶制造生产的周期，降低生产成本，并实现产品定制化、开发项目核心化的设计，从而有效促进金属增材制造技术在行业中的发展。
4.2船舶动力制造技术设计要点
在现阶段船舶制造技术分析中，通过对动力装置系统的设计，可以提高船舶部件设计的科技含量，并及时解决制造技术难的问题。通过增材制造技术的运用，其中的高精密复杂构件以及高性能、大型构建的应用较为广泛，在内部复杂结构辅助设计制造中，可以实现对燃气轮机、柴油喷油嘴的辅助性设计，通过快速原型技术的运用，可以预先降低工程项目的成本，并实现对合金材料设计状况的检测，并直接采用选取激光熔化技术，实现对高性能、复杂性结构的设计。而且，在燃气轮机设计中，空心定向晶叶片作为燃气轮机中的核心部件，可以实现对材料组织的有效研究，并控制零件内部组织中的精装结构，提高船舶制造的整体价值。
4.3船体辅助建造设计
在传统船舶制造中，通过增材制造技术的运用，可以提高船体设计任务的执行速度，降低生产成本，缩短制造周期，从而充分满足船体设计的基本需求。首先，对于船舶的船体而言，通常是由薄壳结构组成，所以，在一些小型船体设计中，可以通过等应力原理的分析，进行尺寸以及形状的优化，使零件的承受能力优于传统设计理念，从而实现轻量化、降低材料使用成本的目的。其次，在大型复杂零件快速铸造的过程中，由于尺寸较大、结构相对复杂，在金属模具使用中，存在着制作困难较大、成本过高的问题，从而为船舶制造带来了影响。所以，通过增材制造技术的运用，可以直接打印复杂形状的砂型，充分满足大型复杂构建的快速铸造需求。而且，在一些尺寸精度以及表面质量要求较高的零件设计中，可以通过立体光固化的原理分析，进行直接铸造，实现精密熔模铸造的目的。第三，船舶电子设备冷却装置的设计。在增材制造技术运用中，通过NMC增材制造技术的运用，可以实现电子设备中整体铝合金的盘底设计，在这种部件设计中，由于结构相对复杂，在传统制造中存在着冷却效果不理想的问题，因此，通过增材制造技术的运用，可以充分满足结构设计的需求，提高冷却能力，而且可以在整个过程中降低船舶制造成本，缩短制造周期，有效促进船舶制造产业的发展。
5结论
综上可知，金属增材制造在船舶制造业有着十分可观的前景，不光局限于零件的快速设计及制造，减小零件携带运输成本;而且对于船舶结构设计制造，能够打破传统的设计理念，不再依靠于哪里结构强度不够，单独加固来强化船体性能，相信通过一系列拓扑优化手段与增材制造技术相结合，最终能取得结构上与经济上的双重突破。
参考文献：
[1]陈超,刘李明,徐江敏.金属增材制造技术在船舶与海工领域中的应用分析[J].中国造船,2016,57(03):215-225.
[2]张宏亮.船舶制造金属材料精度管理与过程控制分析[J].中国金属通报,2017(12):92-93.
[3]马化铮,郭文菁.我国船舶设计建造技术现状及展望[J].南方农机,2017,48(13):100-101.
论文作者:张鹏
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/15
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