近年來(lái)柑营，3D打印技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，已被廣泛地運(yùn)用于航空航天隔每、汽車零部件渤尚、重大裝備公悟、文化創(chuàng)意、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域催杆，根據(jù)美國(guó)添加制造技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會(huì)Wohlers在2013年發(fā)布的年度報(bào)告列林，3D打印產(chǎn)品在2013年全球市場(chǎng)規(guī)模約為40億美元，相比2012年市場(chǎng)年均復(fù)合增長(zhǎng)率近100%酪惭，預(yù)計(jì)到2017年3D打印市場(chǎng)份額將達(dá)到50～60億美元左右希痴。但是在船舶行業(yè)的應(yīng)用鮮有報(bào)道，作為一種新興的制作技術(shù)春感，有必要了解其原理及其在船用柴油機(jī)中的應(yīng)用前景砌创。

1、3D打印技術(shù)基本原理

1.1鲫懒、3D打印技術(shù)原理

根據(jù)維基百科對(duì)3D打印技術(shù)的解釋：“它運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料嫩实，通過(guò)一層又一層的多層打印技術(shù)，來(lái)構(gòu)造零部件刀疙〔芭猓”通俗地說(shuō)，3D打印就是在普通二維打印的基礎(chǔ)上再加一維谦秧，之所以還稱之為“打印”竟纳，則是因?yàn)槠浣梃b了二維打印的技術(shù)原理，分層加工的形式和噴墨打印的過(guò)程相似疚鲤，只不過(guò)打印的材料是“實(shí)物”而不是“墨水”锥累。3D打印技術(shù)的原理如圖1所示，首先通過(guò)一組平行平面去截零件溢扳，得到一系列足夠薄的切片（一般為0.01～0.1mm）或者稱之為二維零件模型炸笋，然后按照一定規(guī)則堆積起來(lái)即可得到整個(gè)零件。

1.2祠乔、3D打印技術(shù)工作流程

根據(jù)3D打印技術(shù)的原理地毁，在進(jìn)行實(shí)物打印時(shí)需要以物體三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，輸出利用三角面模擬幾何模型的STL格式幾何文件給專業(yè)分層軟件橱序，利用軟件將三維模型分層離散唠延，根據(jù)實(shí)際層面信息進(jìn)行工藝規(guī)劃并生成供打印設(shè)備識(shí)別的驅(qū)動(dòng)代碼，根據(jù)代碼命令利用不同技術(shù)方式的打印設(shè)備疫橘，再使用激光束袜簇、熱熔噴嘴等方式，將金屬癌玩、陶瓷等粉末材料或紙枷量、聚丙烯等固體材料以及液體樹(shù)脂、細(xì)胞組織等液態(tài)材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)成型，最后再根據(jù)打印設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行固化桃熄、燒結(jié)先口、拋光等后處理。其工作流程如圖2中所示蜻拨。

2池充、國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)隨著國(guó)際和國(guó)家層面對(duì)3D打印技術(shù)的關(guān)注和支持，國(guó)內(nèi)研究持續(xù)火熱缎讼，為整合資源，形成設(shè)備坑匠、材料全產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)發(fā)血崭，將整個(gè)產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，高校和地方政府結(jié)合組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的形式逐漸興起厘灼，已經(jīng)成立的有中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟夹纫、陜西省3D產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)、浙江省3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等设凹，上海舰讹、南京等地也在逐漸醞釀成立3D產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。3D產(chǎn)業(yè)技術(shù)在20世紀(jì)90年代初由清華大學(xué)顏永年教授引入國(guó)內(nèi)闪朱，但是由于和CNC加工中心存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系螟衍，往往只作為CNC的補(bǔ)充，多停留在高校研究和教育培訓(xùn)領(lǐng)域冕泡。

而國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品多以自主開(kāi)發(fā)桌面級(jí)產(chǎn)品佩捎，同時(shí)代理國(guó)外工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的模式為主，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢刑评，自主開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在成型精度哑辐、成型速度以及產(chǎn)品穩(wěn)定性方面和國(guó)外產(chǎn)品尚存在一定差距。高附加值的粉末等原材料開(kāi)發(fā)工藝能力不足且恼，企業(yè)經(jīng)營(yíng)模式也較為單一妹髓。近年來(lái)隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)外市場(chǎng)的推動(dòng)，國(guó)內(nèi)西安交大的盧秉恒院士等團(tuán)隊(duì)捉寻、湖南華曙等企業(yè)姜筋，在解決激光成型中變形開(kāi)裂，尼龍燒結(jié)材料研制等方面均取得了一定的成果介她，特別是在航天領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)技術(shù)水平称啸。

3、3D打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1疾就、3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）設(shè)計(jì)制造快速一體化澜术。由設(shè)計(jì)三維模型直接驅(qū)動(dòng)制造，通過(guò)三維模型識(shí)別、分層轉(zhuǎn)換鸟废、代碼生成猜敢、疊加成型等一系列過(guò)程，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)盒延、制造一體化缩擂。這樣就可以自動(dòng)、直接添寺、快速胯盯、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)換成真實(shí)的產(chǎn)品模型，從而可以對(duì)正處于設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品做出快速評(píng)價(jià)计露、修改及功能試驗(yàn)博脑。

（2）高效率生產(chǎn)∑惫蓿可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操控的自動(dòng)生產(chǎn)叉趣，且無(wú)需開(kāi)發(fā)模具，產(chǎn)品周期可以縮短近4/5颖喧；零件的形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也沒(méi)有任何約束洒漱，有利于激發(fā)設(shè)計(jì)的思維活躍度，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化和定制化铅坚，基于拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化的復(fù)雜模型的直接制造也成為可能赃夷。

（3）材料豐富。材料沒(méi)有限制斧呆，樹(shù)脂诊势、塑料、陶瓷质圾、紙質(zhì)荔闭、金屬亦或復(fù)合材料都可以使用，甚至可以根據(jù)零件實(shí)際功能要求實(shí)現(xiàn)不同部位不同材料棋蒂。

（4）低研發(fā)成本毒沥。與傳統(tǒng)“去材制造”有別，無(wú)需初始生產(chǎn)線和模具投入拗疯，一次打印完剩余的原材料還可重復(fù)利用擒蝎，提高了材料和能源的利用效率，大幅度減少了原材料消耗浪費(fèi)以及對(duì)環(huán)境地破壞消玄。

3.2跟伏、3D打印技術(shù)的缺點(diǎn)

從中長(zhǎng)期看，3D打印技術(shù)具有較為廣闊的發(fā)展前景翩瓜，但目前產(chǎn)業(yè)化距離成熟階段尚有較大距離受扳，3D打印技術(shù)還須進(jìn)一步克服以下缺點(diǎn)：

（1）尺寸限制明顯携龟，制造成本高，金屬材料種類偏少勘高；大型零件打印時(shí)間太長(zhǎng)峡蟋，與傳統(tǒng)加工方式相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì)；現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)普遍較為昂貴华望，金屬3D打印機(jī)的售價(jià)一般要400～500萬(wàn)以上蕊蝗，有的甚至過(guò)千萬(wàn)；材料粉末價(jià)格比材料本身高10倍以上赖舟，且目前可用的金屬材料種類較少蓬戚，這都給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來(lái)了困難。

（2）精度和效率難平衡建蹄，無(wú)法滿足高效生產(chǎn)稿屏。目前3D打印成品的精度還不盡如人意，表明光滑度與產(chǎn)品要求仍差距明顯饿严，打印效率與鑄造等批量生產(chǎn)方式相比，產(chǎn)能還遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求丙藤，而且受打印機(jī)工作原理的限制缓墅，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突，制造精度與制造效率的平衡問(wèn)題還有待解決窘螃。

（3）金屬零件工作強(qiáng)度偏低挑单。目前，3D打印技術(shù)的金屬構(gòu)件無(wú)法達(dá)到高溫册向、重載唾莲、沖擊等極其嚴(yán)酷的工況的要求，還須配合后續(xù)的致密性處理瘸卦，如靜壓處理等瘩此；經(jīng)過(guò)加工后，堆積成型產(chǎn)品的韌性與強(qiáng)度等都有待進(jìn)一步提高柳锣。

（4）打印過(guò)程可能造成人體危害愧理，產(chǎn)業(yè)環(huán)境急須立法完善。3D打印部分設(shè)備由于原料為粉末折柠，在成品后處理過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的粉塵宾娜，可能會(huì)對(duì)人體呼吸道和肺部帶來(lái)一定的疾病隱患。同時(shí)扇售，由于3D打印產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散前塔，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各階段都存在一定的侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)，容易引起知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛承冰，急須立法保護(hù)华弓。

3.3食零、3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)该抒、控制技術(shù)慌洪、材料技術(shù)等不斷被應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面凑保。未來(lái)冈爹，3D打印技術(shù)與裝備將以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)欧引，向個(gè)性化枪蜕、精密化、智能化迈招、通用化以及便捷化等方向發(fā)展农泊。

（1）工藝和設(shè)備開(kāi)發(fā)。提升3D打印技術(shù)的速度缘赋、效率和精度碰蚂，開(kāi)拓并行打印、連續(xù)打印誓胆、大件打印竣楼、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量庸飘、力學(xué)和物理性能亲堂，以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品制造，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)瞒帜、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求假棉，可以直接打印出尺寸更大的零件。

（2）材料驗(yàn)證征绸。開(kāi)發(fā)多樣的3D打印材料久橙，如智能材料、功能梯度材料歹垫、納米材料剥汤、相變零膨脹材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等排惨，在擴(kuò)展3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍的同時(shí)降低打印成本吭敢。

（3）軟件升級(jí)。軟件集成化暮芭，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)加工制造一體化鹿驼，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無(wú)縫對(duì)接，減小數(shù)據(jù)處理誤差辕宏，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造畜晰。

（4）拓展應(yīng)用領(lǐng)域砾莱。在生物醫(yī)學(xué)、建筑凄鼻、車輛腊瑟、服裝、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用得到進(jìn)一步拓展唠陈。

4僚尚、3D打印在船用柴油機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用前景

目前，3D打印技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的是消費(fèi)品锭泼，電子原堂、交通設(shè)備和醫(yī)療三大領(lǐng)域，在船用柴油機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報(bào)道焦凶，這和3D打印的技術(shù)特點(diǎn)斗退、技術(shù)現(xiàn)狀以及船用柴油機(jī)自身的特點(diǎn)有關(guān)。船用柴油機(jī)屬于傳統(tǒng)制造業(yè)叁垫，零件尺寸往往較大菠昼，使用材料沒(méi)有特殊要求，而3D打印機(jī)的打印尺寸有限且打印材料成本往往遠(yuǎn)高于材料本身價(jià)格符貌，因此船用柴油機(jī)領(lǐng)域還不具備批量的直接進(jìn)行金屬打印的條件撇涡。但是根據(jù)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可以在樣機(jī)研發(fā)過(guò)程中作為縮短開(kāi)發(fā)周期和改進(jìn)設(shè)計(jì)的有力手段進(jìn)行多方面嘗試蜓呀。

4.1、快速原型

利用3D打印技術(shù)可以快速地使設(shè)計(jì)模型可視化河哑”芊蹋基于打印的快速原型可以檢查實(shí)體模型的設(shè)計(jì)情況，進(jìn)行模型改進(jìn)和優(yōu)化璃谨；對(duì)于須要檢查裝配情況的模型沙庐，可以不考慮材料和強(qiáng)度，在保證精度的情況下利用廉價(jià)材料快速造型佳吞，進(jìn)行裝配檢查拱雏，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。除了快速打印原型零件進(jìn)行設(shè)計(jì)和裝配檢查外底扳，還可以打印特殊的試驗(yàn)件铸抑，快速響應(yīng)試驗(yàn)需求。如直接利用樹(shù)脂材料打印多方案氣道吹風(fēng)試驗(yàn)樣件（圖3）衷模，可以有效縮短制作“木娜笛矗—砂模—鑄造原型”的時(shí)間阱冶；由于跳過(guò)了前期高額的樣件制造所需的模具費(fèi)用刁憋，且可以自由設(shè)計(jì)滥嘴，省卻了多余材料，直接打印成型嫁潦，可以大幅縮短開(kāi)發(fā)成本捍陌。

4.2、快速鑄造

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中近殖，模具的形狀和加工周期是制約整個(gè)產(chǎn)品生命周期的重要因素颁究，也是目前3D打印技術(shù)與實(shí)際工業(yè)聯(lián)系最為緊密的應(yīng)用。對(duì)于尺寸較大的船用零部件涮观，受限于金屬打印的尺寸限制坑状，直接打印出金屬模具困難較大，但是可以應(yīng)用無(wú)氖崛茫快速鑄造却坦。以往船用柴油機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件鑄造工藝都是通過(guò)三維CAD模型得到三維砂芯模型，然后建立符合工藝要求的三維砂芯模具模型喻名，制作砂芯模具殃练，通過(guò)翻砂制作砂芯，再進(jìn)行澆鑄等疚筋。

利用3D打印技術(shù)中的無(wú)模鑄造技術(shù)直接制作出符合鑄造要求的零件砂芯扫皱，可以簡(jiǎn)化傳統(tǒng)鑄造工藝，同時(shí)保證不同模具之間帶來(lái)的容差型捷绑，提高效率韩脑、降低成本。由于船用柴油機(jī)機(jī)體和缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜粹污，依靠傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法段多，僅鑄造模具、修改模具等環(huán)節(jié)就需要近半年的時(shí)間壮吩，而且機(jī)體和缸蓋等內(nèi)部存在多處自由曲面进苍，采用傳統(tǒng)方法制造很難保證曲面精度。而采用無(wú)模鑄造技術(shù)鸭叙，先制作出用于鑄造的砂型觉啊，再澆鑄成機(jī)體和缸蓋，不但可以極大地保證模具精度沈贝，更為重要的是杠人，大大節(jié)省了時(shí)間。與傳統(tǒng)方法相比缀程，采用無(wú)模鑄造技術(shù)可以將成品時(shí)間縮短2/3搜吧。圖4為幾個(gè)無(wú)模制作實(shí)例。

同理裤狱，進(jìn)排氣管乒踢、增壓器罩殼和油泵罩殼等部件也可以利用同樣的方法進(jìn)行快速鑄造揪馅；除此之外，還可以直接打印蠟?zāi)＜衽糜谠鰤浩鳒u輪葉片等部件的熔模精密制造瞳州，以避免薄壁熱開(kāi)裂現(xiàn)象。

4.3卧袄、快速制造

近幾年來(lái)寒护，隨著3D打印技術(shù)材料的豐富和打印精度、打印尺寸的進(jìn)步纸谤，利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)潭鞭，越來(lái)越多的小批量、定制化和高設(shè)計(jì)附加值的產(chǎn)品開(kāi)始直接進(jìn)行成品打印讲稀。在船用柴油機(jī)領(lǐng)域汤笋，同樣受限于金屬材料的打印尺寸，目前尚不能打印大尺寸零件葱峡，但是可以對(duì)增壓器渦輪葉片砚哗、氣門(mén)和氣門(mén)座圈等尺寸容差率和精度要求高的高溫合金材料零件進(jìn)行直接打印成型；也可以解放設(shè)計(jì)束縛砰奕，進(jìn)行快速混合制造蛛芥，即對(duì)于零件好加工的部分采用傳統(tǒng)制造方式，難加工的部分直接3D打泳仅淑；或者對(duì)于像ECU插板（圖5）等非金屬件進(jìn)行自由設(shè)計(jì)和打印。

另外胸哥，利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)突破以往加工限制漓糙，設(shè)計(jì)中空零件或者復(fù)合材料零件；對(duì)于冷卻水道等受限于制造工藝的部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)烘嘱，為設(shè)計(jì)帶來(lái)新思路。

4.4蝗蛙、快速修復(fù)

近年來(lái)在航空航天領(lǐng)域蝇庭，對(duì)于容易損壞且造價(jià)較高的鈦合金葉片等零件常常利用3D打印中DMD（DirectMetalDeposition金屬送粉沉積）技術(shù)靈活牢固的特點(diǎn)，進(jìn)行直接修復(fù)（圖6）捡硅，或?qū)δ湍ゲ牧线M(jìn)行金屬涂覆哮内。

對(duì)于船用柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，曲軸主軸瓦等零部件造價(jià)較高且極易磨損讶瘩，可以利用3D打印技術(shù)對(duì)該類零件損壞處進(jìn)行修復(fù)或者添加高溫鎳基合金等材料作為涂層达植，以提高其耐磨性能和疲勞壽命。

3D打印技術(shù)作為一種“增材制造”技術(shù)欺划，近年來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注轿侍，其設(shè)計(jì)制造一體化酒尝，適合小批量、定制化和個(gè)性化制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)皿腾，推動(dòng)其在航空航天迫手、汽車、醫(yī)療制造業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用索廊。船用柴油機(jī)作為傳統(tǒng)行業(yè)有其自身的特點(diǎn)舒搬，目前3D打印技術(shù)的水平還無(wú)法挑戰(zhàn)傳統(tǒng)工藝在船用柴油機(jī)領(lǐng)域中的地位，但是3D打印技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用潛力政辕，可以作為傳統(tǒng)工藝的一種有利補(bǔ)充疤信，應(yīng)用在小批量產(chǎn)品研發(fā)和試驗(yàn)件制造。隨著3D技術(shù)的進(jìn)步淹遵，材料的豐富和打印成本的降低口猜，相信未來(lái)其在船用柴油機(jī)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

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