3D打印技术如何影响航运相关产业

CCS釜山分社 周立伟

3D打印又称增材制造，是一种快速成形技术，其使用激光束熔化原料（目前主要有塑料和金属）并通过逐层堆塑来最终形成成品，可快速生产结构复杂的产品或部件。与采用切削或钻孔（即减材工艺）方式的传统机械加工技术不同，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积即“积层制造”方式来直接构造物体。

3D打印技术被“经济学家”杂志誉为“第三次工业革命”的代表性技术，现产业价值约为40亿美元，并以60%的年增速发展，已经在医学、汽车、航空和航天工业领域得到应用和推广，主要用于成品和部分精密零部件的制造，预计整个行业到2020年将实现210亿美元的产值。

3D打印一般由三维设计、3D打印和表面处理三个关键过程组成。

三维模型的分区

三维设计是通过计算机辅助设计(CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式，一个STL文件使用三角面来大致模拟物体的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。如果对现有产品进行复制，则可以使用PLY等扫描器，对物品扫描来生成VRML或者WRL格式的三维文件作为全彩打印的输入文件。

打印过程是通过打印机读取STL文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。打印机打出的截面厚度（即Z方向）以及平面方向（即X-Y方向）的分辨率是以dpi（每英寸像素数）或者以微米来计算，一般Z方向厚度为100微米（即0．1毫米），部分高精度打印机甚至可以打印16微米厚度；而X-Y平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”直径通常为50到100个微米。用传统方法需数小时到数天制造出的模型，根据打印机性能以及模型尺寸和复杂程度，用3D打印可缩短为一到几个小时。

表面处理是为了获得更高分辨率的物品表面，先用当前3D打印机打出稍大一点的物体，再经过表面打磨从而得到表面更加光滑的“高分辨率”物品。应当注意目前的3D打印机分辨率对大多数应用来说已经完全足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），从而不必再进行表面处理。

传统的制造技术如注塑法可以较低的成本大量制造聚合物产品，而3D打印技术则可以以更快速、更有弹性和更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的3D打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。3D打印以往常常被用于制造模型和模具，但随着3D打印机和“墨水”制造技术的成熟，3D打印正被用于一些产品的直接制造，特别是高价值产品（如人体关节和重要设备零部件等）。

目前3D打印技术在航运业已经有了成功的应用。例如通用电气公司使用3D打印技术制造的燃油喷嘴，不仅在强度上是传统技术制造产品的5倍，而且重量减轻了25%；到2020年该公司计划将整个燃油直喷发动机30%的零部件通过3D打印技术制造。

据悉马士基油轮已经对3D技术在航运业的应用前景进行了研究，发现3D打印技术首先可以用来解决整个航运业所面临的零部件供应链顽疾，如果船员可以在船上直接打印出他们急需的零部件，将有效缩短交货时间，并且将显著减少备件仓储、货品包装、空运/陆运、报关通关以及租船靠泊上货等环节的成本，同时原先在部分基础设施较差的区域无法提供备品备件的困难也将迎刃而解。其次，3D打印还对航运业未来的可持续发展大有益处，因为传统的消减制造过程中每次钻孔、每次切削都在浪费原材料和金钱，而使用3D增量打印技术，不仅可以灵活地制造出那些具有独特结构形式的产品或零部件，而且还可以实现原材料和金钱的“零浪费”。

与一台单价2．5万美元的塑料材质打印机相比，虽然目前一台金属材质3D打印机的价格高达100万美元，但随其在工业界的不断推广和技术的进步，有理由相信价格将快速下降到中高端应用级水平（但不要期望其可以替代常规生产），那么3D打印技术将会对航运和相关制造业带来哪些变化和挑战呢？

一是金属“墨水”产业将迎来大发展，这也是新材料工业未来的一个重点发展领域。船用设备零部件不仅形状上千奇百态，更重要的是其物理特性，如硬度、强度、耐磨性、耐压性、高温塑性等更是变化无穷。从现实可能性和经济性来看，我们不可能期望同时供应和在船上或集中供应站存储成千上万种的“金属墨水”，未来的思路可能是一种“鸡尾酒”技术，类似于利用三原色不同比例调和可产生各种颜色一样，科学家需要找出满足最基本“原性能”的“墨水”，根据厂家提供的“秘方”进行调和，然后直接注入3D打印机进行打印制造。

二是重要零部件将从“实物”供应变为“数字虚拟”供应。生产商家和零部件服务商将从目前的全部实物供应，转变为易损易坏零部件的数字虚拟供应，也就是向需求方发送一个包括三维零部件形状数据和材质“秘方”的数据包，然后直接打印制造和安装使用。我们预测3D可打印的零部件种类和数量将逐渐增加，但受“墨水”材质种类研发的供应限制，将主要以一些材质和性能要求比较单一的零部件为主。

三是知识产权保护和分享将面临严峻挑战。常规通用型零部件以外的特种设备及重要零部件，在实现3D打印之后，其知识产权保护将面临严峻挑战。一种新型的基于付费之后的知识产权临时授权模式必将营运而生，也就是任何人都可能得到形状和材质秘方数据包，但是如果不付费，供应商将不会向3D打印机发出具有一定“时效”的临时性授权指令，该打印机没有授权或授权过期，将不能执行打印操作，从而实现知识产权和供应商利益的保护。

四是产品质量检验模式将被迫转变和创新。现有的零部件产品检验模式是由检验机构对产品执行必要的实验和现场检验，当其满足要求后，由检验机构签发证书以证明其质量满足预定使用质量标准。而3D打印制造出现之后，特别是直接在航行于海中的船舶上打印制造时，验船师无法到现场验证和检验。所以检验控制模式可能要分解为3D打印机质量的认证、打印材质即“墨水”质量的认证和产品数字模型及配方的认证。

五是零部件供应和服务模式将迎来新模式。受区域和成本的限制，无法建立全球服务网络一直是设备生产厂商感到头疼的问题，特别对处于发展初期的中小型设备生产商相对于知名老牌生产商是一个明显的竞争劣势，而3D打印技术的出现将为逐步解决这个问题带来曙光。与此同时现有庞大的分布于全球各港口的设备供应代理商将面临逐步边缘化的挑战，部分依然采用现有商业模式的代理商将被迫关张。

因此，3D打印技术将进一步促进“分散制造”的优化，同时提高现有分散制造的个性化定制水平及服务响应速度，进而影响船用产品配套及相关行业的格局，并促进世界航运的发展。