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增材制造:引领船舶工业“新蝶变”

2018-01-09 20:47:39

     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。

 
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    增材制造:“万能”制造还是“补充”制造?
 
    增材制造(AdditiveManufacturing,AM)是相对于减材制造(SubtractiveManufacturing,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。
 
    江南造船(集团)有限责任公司总工程师胡可一表示,增材制造是制造手段上的创新,属于“过程创新”的范畴,是制造复杂造型零件比较好的手段,可明显提高生产效率和产品质量。
 
    据了解,增材制造不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序,可快速制造出任意复杂形状的零件,是解决复杂结构零件成形的有效途径,而且产品结构越复杂,材料越难加工,其优势越明显。在传统制造行业中,通过采用增材制造技术生产单件、小批量的超规格产品,能够有效降低制造难度和成本。例如,飞机零件主要是整体毛坯件和整体薄壁结构件,利用传统方法成形非常困难,而增材制造技术可以解决这一问题,而且能减轻机体重量,降低制造成本。我国自主研制的C919飞机大型钛合金零件的制造就利用了增材制造技术。业内专家认为,增材制造技术在航空航天行业中的应用方式也完全可以被船舶海工行业借鉴,其优势也显而易见。因为船舶海工装备中有不少稀有金属和贵金属材料的零部件,增材制造技术能极大节省材料的使用;金属增材制造技术能将数据模型整体打印成形,避免焊接,而在海洋高压容器和深水密封件中,减少焊缝具有十分重要的意义;对于高硬度零件、薄壁类零件的加工等具有独特优势。胡可一则认为,如果从零件级的角度来看,增材制造应用是一个共性的应用,船用设备中的许多零件都可采用增材制造手段。
 
    此次发布的《增材制造产业发展行动计划(2017~2020年)》明确提出,将大力推进增材制造在船舶与配套设备领域的产品研发、结构优化、工艺研制、在线修复等的应用研究,实现船舶及复杂零件的快速设计与优化,推进动力系统、甲板与舱室机械等关键零部件及备品备件的直接制造。业内专家表示,增材制造在船舶领域的应用将随着技术的进步与突破逐步增多,而这或将成为我国船舶智能化制造水平大提升的一个重要契机。
 
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    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3DSystems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。
 
    与此同时,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。该中心的一项重要任务,就是研发增材制造技术,孵化增材制造相关的初创企业。现代重工希望通过增材制造技术打印船舶构件,在生产过程中节省时间和金钱,推动行业进步。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。该公司全球研究与技术总监保罗·斯坦恩表示,增材制造技术在船舶领域的应用前景广阔,对于一些制造工艺非常复杂且难以用传统工艺生产的几何部件来说,增材制造可能是最好的生产方式。而鹿特丹港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。该中心曾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。
 
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    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。中船重工经济研究中心高级分析师曹林介绍说,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。江苏科技大学海洋装备研究院则通过增材制造技术制造了船用液化天然气(LNG)汽化器,该LNG汽化器能够完全满足超高压、超低温的运行条件,且制造成本和周期大幅减少。
 
    曹林介绍说,在我国最新开展的船用低速机工程研制项目中,也包含了柴油机核心部件增材制造研究的内容。
 
    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。曹林介绍说,在我国,有单位自1997年建立激光加工中心以来,已多次为船用压缩机缸体、船用齿轮、主机缸套进行了激光强化;有单位通过采用激光熔覆技术,成功解决了发动机活塞耐烧蚀和缸套耐磨性不足的问题;有单位在自主研制系列船用柴油机的过程中,将增材制造技术用于铸件新产品开发及辅助传统模具设计制造;有单位与高校合作,开展了船用燃气轮机机匣类零件增材制造;有单位较早采用增材制造技术进行精密无余量浇铸蜡模制造,制造了直径约为80毫米的涡轮增压器用离心压气机叶轮等。
 
    “一般情况下,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。”曹林表示,“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,相信随着技术进步,增材制造技术的应用有望进一步简化供应链环节,提高产品售后服务的响应速度。”
 
    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。胡可一认为,要实现增材制造技术在船舶领域的规模应用,未来在共性应用方面需要解决4个问题:一是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;二是纯增材制造的形状精度保证问题;三是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,未来应研制专用型还是泛用型设备?“在船舶增材制造的个性应用方面还需要解决以下几个问题:一是船体结构形式问题,船舶存在不少薄壳框架结构,有很多封闭空间,增材制造如何实现?二是船体结构材料问题,目前来看,钢板材料并不适合,而复合材料存在成本和强度方面的短板。三是增材制造设备的尺度问题,如果增材制造一个超大零件,那制造设备岂不会像一台龙门吊那么大?!四是船舶规范问题,船舶工业应用增材制造技术,必须遵守一定的测试和评价规范,船厂要进行很多验证试验和计算,还要被船东接受,会产生时间、资金方面的成本和风险。”胡可一说。
 
    目前,增材制造更多还是作为传统制造方式的补充,主要应用于“加工难、成本高、批量小”的产品或部件。曹林认为,增材制造技术未来能否规模化应用主要取决于两个方面,一方面,是增材制造技术本身的发展,即能否按要求制造出合格的产品,目前,若要完全满足船舶工业需求,增材制造需要逐步突破从材料、工艺、软件、核心器件到装备的诸多关键技术;另一方面,增材制造与传统生产模式在成本方面的比较,这一成本不仅包括生产设备和物料的一次性投入,还包括覆盖研发、生产、维修保障等多要素的综合比较。
 
    业内专家表示,随着技术的进步以及国家鼓励政策的相继推出,增材制造技术在船舶领域规模化应用的条件将日益成熟,增材制造技术相关的产业链也将日益完善,并最终推动我国船舶工业实现快速发展。    
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