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增材制造或将引领船舶工业“新蝶变”

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谈到增材制造(Additive Manufacturing,AM)很多人都不陌生,伴随着技术的发展,特别是金属3D打印技术近年来取得的进展,增材制造技术的应用已不仅仅局限于快速响应产品的外观设计,抑或是工艺辅助的间接制造,而是延伸到了金属功能零件的直接制造。当前,通过金属增材制造技术制造的金属材料零部件越来越多的被成功应用于航空航天,国防军工、医疗器械、汽车制造、注塑模具以及船舶等领域。

增材制造是相对于减材制造(Subtractive Manufacturing,SM)而言的一项技术。减材制造是在一个基础坯料上,按照工艺路线,用机床和刀具进行切削,使留下的部分成为所需要的型面,整个过程犹如“减法”;而增材制造是利用数字化技术,由零件的三维数据驱动,通过材料的累加,直接制造出所需零件,整个过程是做“加法”,恰如一个神奇的生长过程,零件从无到有,越长越大,直至成形。
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由达门集团、 RAMLAB、 Promarin、Autodesk和法国船级社合作研制的3D打印螺旋桨WAAMpeller

政策导向
2017年,12月14日,国家十二部门联合发布《增材制造产业发展行动计划(2017~2020年)》,将航空、航天、船舶等列为实现增材制造技术规模化应用的重点领域。业内专家认为,相对常规的减材制造来说,增材制造具有自身的优势,也有自身的局限性和需要突破的瓶颈。随着相关技术的进步和成本的降低,在船舶领域大力发展增材制造,将对我国船舶工业的智能制造以及生产效率和水平的提高起到积极的促进作用。

《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》(以下简称《行动计划》),明确提出到2020年实现五大目标:

一是产业保持高速发展,年均增速在30%以上,2020年增材制造产业销售收入超过200亿元;
二是技术水平明显提高,突破100种以上满足重点行业需求的工艺装备、核心器件及专用材料;
三是行业应用显著深化,开展100个以上试点示范项目,在重点制造(航空、航天、船舶、核工业、汽车、电力装备、轨道交通装备、家电、模具、铸造等)、医疗、文化、教育等四大领域实现规模化应用;
四是生态体系基本完善,形成完整的増材制造产业链,计量、标准、检测、认证等在内的生态体系基本形成;
五是全球布局初步实现,培育2~3家以上具有较强国际竞争力的龙头企业,打造2~3个国际知名名牌,一批装备、产品走向国际市场。

增材制造在船舶工业有多“火”?
增材制造技术从20世纪80年代中期出现以来,经过30多年的发展,目前已趋于成熟并初步形成体系,并呈现出美国主导、欧洲协同发展、日本追随、中国后发的基本格局。国际上金属精密数字化增材制造设备供应商主要有德国EOS公司、英国Renishaw公司、美国3D Systems公司等,近年来,也出现了中国企业的身影。我国增材制造设备产业化产品目前已接近国外产品水平,一改此类设备早期依赖进口的局面。

作为制造业的组成部分,船舶工业将不可避免地受到3D打印技术的重大影响。首先,该技术将加快船舶工业新产品开发速度,降低开发成本。由于成型的便利,利用该技术可以更好地验证和改进设计参数和思路,提高设计水平和效率。比如,设计一个新的零部件时,设计人员可以同时拿出10种方案,并通过3D打印快速验证其合理性。即使是较大的船体设计也可以通过缩小比例的方式快速制作模型,这将极大地激发设计人员的积极性,降低产品研发成本。
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其次,能使配套产品生产更加经济快捷。由于船舶配套产品批量小,不少属于定制性产品,3D打印可以随时调整参数,更低成本地进行小批量甚至单件产品的生产。同时,该技术可给配套产品的维修服务带来极大便利。在舰船上,一些零部件需要更换时,只需将其原理图发送到最近的3D打印机上,然后将必要的耗材放入3D打印机中即可制造出来。

再次,其能够生产传统加工方法难以制造的产品,并且精度和光顺度更高。传统的制造方法是削除法,要通过多维加工将毛坯上不需要的地方切掉,一些复杂的产品及外板等用这种方法加工起来十分困难。利用三维设计和3D打印技术则可在一台设备上快速而准确地制造出任意复杂形状的零件,解决了许多过去难以制造的复杂结构零件的成形问题,并且加工精度的提高使产品的性能更好。

全球对增材制造在船舶领域的应用研究也已取得了较大进展,业内已成功打印出种类繁多的产品和零部件,如螺旋销、轴瓦、箱式热交换器、螺旋桨等。在韩国,现代重工宣布在韩国蔚山设立蔚山创造经济革新中心。在欧洲,罗尔斯·罗伊斯公司已在船用柴油机的燃油喷射系统中应用了增材制造技术。鹿特丹港RAMLAB增材制造中心则希望利用增材制造技术为鹿特丹港的大型船舶提供快速维修服务。
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鹿特丹港RAMLAB利用混合增材制造技术生产了世界首个通过船级社认证的船用螺旋桨。
在船舶增材制造方面,中国是后来者,但近年来技术进步迅速。我国船舶工业体系内已开展了增材制造金属粉体材料、金属激光烧结和电子束烧结成型工艺、增材制造设备等方面的研究工作,并取得了一系列成果。

据了解,中国船舶重工集团有限公司下属一家研究所对多种金属增材制造材料特性进行了研究,包括不锈钢、高/低碳合金钢、镍基合金、钴基合金、钛合金等。通过多年项目研究和产品开发,目前,该所已开发了低碳合金钢、高碳钢、钛合金等增材制造工艺,其中,合金钢增材制备技术可以获得强度达到500兆帕、规格大于300毫米×300毫米×300毫米的部件,增材修复部件体积可达2米×2米×1米,结合强度最高可达800兆帕;研制了直接送粉工艺,可实现复杂三维曲面制造。

中船重工另一家研究所则成功研制了TC4、Ti80等钛合金粉末,粉末质量、性能达到增材制造要求;开展了空间曲面增材制造工艺、激光烧结工艺、钛合金电子束熔丝沉积制造工艺研究,开展了钛合金电子束熔丝沉积工艺初步研究,采用电子束熔丝沉积制造技术制备了典型一维和二维形状材料。

中国船舶工业集团有限公司下属一家研究所正利用增材制造技术生产钛合金叶轮,并进行螺旋桨的试制。

增材制造对船舶工业影响几何?
目前,增材制造技术已应用于产品的开发、验证、制造和维修等环节,一些企业通过增材制造技术成功解决了生产过程中的实际问题,并取得了良好的经济效益。

由于省去了复杂的模具开发过程,增材制造可以大幅缩短新产品设计验证周期,加快产品研制进度。增材制造具备‘贴近用户’(定制化、本地化生产和交付)的潜能,可在一定程度上改变现有的生产、仓储和物流方式。

当然,作为一项正在发展中的制造技术,增材制造的成熟度还远不能同金属切削、铸、锻、焊、粉末冶金等制造技术相比。未来要实现增材制造技术在船舶领域的规模应用,还需要解决4个问题:
材料特性要适应增材制造的特点,如要保证材料固化后强度的均匀性和形状的保持性等;
纯增材制造的形状精度保证问题;
规范和标准制造过程中材料和性能不均匀性的接受程度和检验手段问题;
四是智能化的增材制造设备的开发和研制问题。

后记
增材制造技术改变了传统的制造方式,为复杂金属结构功能件的直接制造提供了新思路,对于制造业而言有着广阔的应用前景。未来金属3D打印机将会越来越多的取代部分传统加工制造设备,但是增材制造技术也有其缺陷与不足,并不能完全取代减材制造,而是并列互补的关系。

来源:焊割在线

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