《电子技术应用》

3D打印将促进世界航运的发展

2016/10/2 6:00:00

  3D打印又称增材制造,是一种快速成形技术。其与采用切削或钻孔(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,通过逐层叠加累积,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打印和后处理三个关键过程组成。

  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”。


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