《Materials》：The Analysis of Additive Manufacturing Parameters to Evaluate the Feasibility of Using Spare Parts in the Shipbuilding Industry
编辑推荐：
本文讨论了一种现代制造方法——增材制造（additive manufacturing, AM）技术，概述了船舶工业中生产方法的发展趋势、未来数年的预测，以及在考虑历史背景的同时推动新制造技术发展与实施的因素。此外，本文依据现有文献对增材方法进行了分类描述，并重
本文讨论了一种现代制造方法——增材制造（additive manufacturing, AM）技术，概述了船舶工业中生产方法的发展趋势、未来数年的预测，以及在考虑历史背景的同时推动新制造技术发展与实施的因素。此外，本文依据现有文献对增材方法进行了分类描述，并重点介绍了应用这些技术生产船舶机械零件与部件的特点和优势。近年来增材制造技术的快速发展及其广阔前景，促使部分船级社（classification society）发布了包含增材制造方法指南与建议的出版物，应用这些指南与建议可实现对最终产品的认证。文中还描述了若干涉及机械部件的案例研究，如船用螺旋桨（ship propeller）和压力管道（pressure pipe）。此外，文中还纳入了船舶工业4.0（Shipyard 4.0）概念的路线图。
**研究背景与问题**
增材制造（additive manufacturing, AM）技术作为现代生产方法的重要代表，契合工业4.0理念，能够实现高度计算机化、高效率及可投产的部件生产，并具备快速原型制造、即时设计变更和复杂几何结构成型等优势。然而，该技术仍面临生产速度有限、可用材料范围窄和制造精度不足等挑战。与汽车和航空工业相比，船舶工业对3D打印技术的应用程度明显滞后，但部分航运公司、造船厂和港口当局已在探索利用该技术实现备件按需打印、缩短供应链和降低仓储成本。船舶运行环境中的持续摇荡与振动、温湿度剧烈变化等因素对打印质量与设备材料稳定性构成显著影响，且目前缺乏统一的船级社认证规范。为此，研究人员围绕增材制造参数在船舶工业备件生产中的适用性展开系统分析，以评估该技术在船舶工业中应用的可行性与合理性。
**研究概述与结论**
研究人员通过对增材制造（AM）各工艺方法的分类比较，结合船用螺旋桨WAAMpeller、DN400/DN300 Schedule 160管道、ROTEX? 42爪式联轴器弹性插入件以及活塞–连杆组件模型等案例研究，综合分析了技术、经济和环境参数，对使用增材制造方法生产船舶工业备件的可行性和适宜性给出了积极评价。研究表明，增材制造在降低材料消耗、缩短交货时间、实现部件整合和灵活生产管理等方面具有显著优势，同时提出了对未来认证模式转变和船舶备件供应商业模式变革的展望。该研究对推动增材制造技术在船舶工业中的产业化应用具有重要参考意义。
**主要关键技术方法**
研究人员采用了多种增材制造工艺，包括电弧增材制造（wire arc additive manufacturing, WAAM）及其可注册商标变体WAM?、基于材料挤出（material extrusion, ME）技术的聚合物3D打印，并采用了计算机辅助设计（computer-aided design, CAD）建模和*.stl格式转换方法。样本人群来源包括JABIL公司基于302名受访者（代表年收入超过5亿美元的各行业主要制造企业）的调查数据，以及澳大利亚AML3D公司、鹿特丹港RAMLAB研究所和Green Ship of the Future联盟的案例材料。
**研究结果**
**3.1 船用螺旋桨WAAMpeller案例研究**
研究人员对比分析了减材加工、铸造和增材制造三种船用螺旋桨生产方法的优劣。减材加工存在材料损耗大和复杂结构成型受限的问题，铸造虽适用于复杂几何结构但存在生产准备周期长、质量验证滞后、能耗高等弊端。采用WAAM技术制造镍铝青铜（nickel–aluminum–bronze, NAB）合金部件时，与铸造技术相比可分别实现抗拉强度提高50%、屈服强度提高20%、延伸率提高60%和硬度提高28%，且具备极低的原材料购买比（buy-to-fly, BTF）、较短的生产准备时间、良好的过程可监控性以及较低的能耗。该案例表明WAAM技术具有优越的材料效率，可提高成本效益并减小环境足迹。
**3.2 DN400/DN300 Schedule 160管道案例研究**
研究人员将WAM?增材制造方法与传统焊接制造方法进行了对比。传统焊接管道在制造时需要经历材料准备、焊接工艺规程编制和预装等阶段，且最终几何尺寸受限于预制构件的库存范围。而采用AML3D公司的WAM?技术制造DN400/DN300 Schedule 160管道时，沉积材料1120 kg，后处理去除180 kg余量，最终制得重940 kg的整体管道部件。该部件按照美国石油学会API 20S标准制造并通过全部测试验收准则，同时通过了35 MPa、持续60 min的静水压试验和ASME B31.3标准验收测试，并由劳氏船级社（Lloyd's Register）监督验证。WAM?工艺将交付时间从使用国际采购锻件的10周以上或本地锻件的3周以上缩短至约1.5周。
**3.3 爪式联轴器弹性插入件案例研究**
研究人员在船舶消防系统泵组弹性元件损坏后，使用HBOT 3D F300打印机采用ME方法以热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane, TPU）材料打印制造了ROTEX? 42爪式联轴器的弹性插入件。该部件的数字模型直接获取自制造商的数字零件库，打印工艺中数字模型准备阶段可完全省略。实际打印耗时为7小时12分钟，占整个工艺过程总时间的92%。该弹性插入件采用标准硬度参数和型D硬度计验证，安装后泵组运行正常。该案例表明，采用ME方法制造部件能够显著缩短供应链、减少因备件等待造成的船舶修理时间停滞，从而增强船舶安全性。
**3.4 基于3D打印的活塞与连杆模型设计**
研究人员以第一代雪佛兰V8 5.7L/350型汽车发动机为参照，设计了活塞、连杆、活塞销、螺栓和螺母等活塞–连杆组件模型，并使用3DGence One Slicer打印机和聚乳酸（polylactide, PLA）线材（直径1.75 mm）通过ME方法完成打印。研究显示，打印时间主要取决于单层高度、填充密度、支撑结构数量以及物体在构建平台上的放置方向。减少单层高度和增加填充密度会成倍增加打印时间，但可提高精度和耐久性；支撑结构虽易于手动移除，但在难以触及的区域可能损伤工件表面。部件打印完成后需经过去除支撑结构、打磨和喷漆等后处理工序，最终完成活塞–连杆组件的装配。
**讨论与结论**
讨论部分指出，增材制造方法在中小型部件的中、大批量生产中应用广泛（主要涉及金属粉末类工艺），也适用于中大型部件的单件和小批量生产（如WAM?、WAAM方法）。针对不同部件类别，研究人员分别归纳了决定增材制造方法适用性的关键参数，包括生产准备时间、制造时间、后处理时间、过程可监控性、几何复杂度、材料消耗（BTF比）、材料多样化要求、能耗与环境足迹、数字化程度以及供应链物流条件等。此外，研究人员提出，增材制造技术在船舶工业中的大规模应用将推动部件供应模式从集中式实体仓库向数字化备件模型交易和分散化制造转变，同时现有基于单件认证的模式需要向基于模型验证、过程验证、概率方法和部件一致性的认证体系转型。
研究结论部分指出，增材制造方法广泛应用于中小型部件的中、大批量生产，以及中大型部件的单件和小批量生产；针对两种不同化学成分材料、分别采用WAM?和WAAM技术制造的不同部件，以及一个采用ME方法制造的TPU部件的案例对比分析表明，确实存在决定增材制造方法作为部件制造适宜方法的关键因素。本文分析及对3D打印生产部件的技术、经济与环境参数的识别显示，使用增材制造生产船舶工业备件具有积极的可行性和适宜性。增材制造方法作为现代制造技术的代表，是工业4.0技术之一，能够推动行业向生态高效、高性能、即时制造的方向转型，并提升整个过程的数字化水平。
