3D打印技術(shù)在輪船造型上的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在輪船造型上的應(yīng)用。船舶海工產(chǎn)業(yè)面臨升級(jí)轉(zhuǎn)型，一方面，高技術(shù)船舶（智能船舶、新能源船舶）成為關(guān)注的重點(diǎn)；另一方面，游船（包括游艇、豪華游輪）的發(fā)展迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，游船以「人」為主要運(yùn)載對(duì)象，滿足人的旅游、觀光、休閑、度假、娛樂、商務(wù)交流、水上運(yùn)動(dòng)等為主要功能。隨著船東和乘客對(duì)船舶審美、文化、舒適性等方面的需求不斷增長，造型創(chuàng)意設(shè)計(jì)在游船設(shè)計(jì)中的重要性凸顯，游船的造型設(shè)計(jì)不僅是游船功能的載體，更具有凸顯地方文化魅力、展現(xiàn)城市發(fā)展形象、帶動(dòng)地方相關(guān)行業(yè)發(fā)展的重要作用。和其它產(chǎn)品設(shè)計(jì)一樣，游船造型創(chuàng)意設(shè)計(jì)的評(píng)審、驗(yàn)證和展示離不開實(shí)物模型；而船舶具有單件或小批量、體量大、造型復(fù)雜、材質(zhì)多樣化等特點(diǎn)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的模型制作多采用泡沫、油泥、層板雕刻、木模等，不可避免的存在成型難、精確度不高、效率低下等缺點(diǎn)。相反，這正是 3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在，它是根據(jù)所設(shè)計(jì)的 3D 模型，通過 3D 打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維產(chǎn)品的技術(shù)。3D 打印的全過程數(shù)字化制造具有按需打印，更快的速度、更標(biāo)準(zhǔn)的精度以及更少的手工操作的優(yōu)點(diǎn)。為探索 3D 打印技術(shù)在游船造型設(shè)計(jì)中應(yīng)用的有效性，優(yōu)化 3D 打印游船模型的步驟與方法，以 251 客位 45 米雙體游船為例，在分析游船造型特征基礎(chǔ)上，應(yīng)用 Rhino 進(jìn)行船體建模和數(shù)據(jù)優(yōu)化，進(jìn)行非金屬 3D 打印技術(shù)設(shè)備與工藝選型、參數(shù)設(shè)置、3D 打印，完成實(shí)物三維模型的制作。

1 游船造型特征解析

從工業(yè)設(shè)計(jì)視角審視游船，游船具有以下特征：（1）體量大、通常為單件或小批量。游船以運(yùn)載「人」為主，像一座座水上建筑，設(shè)計(jì)與建造投入大，根據(jù)船東需求，游船通常是小批量甚至單件，相對(duì)于一般的工業(yè)產(chǎn)品，體量非常大，通常幾十米到上百米。（2）造型復(fù)雜。船體類型有單體、雙體、三體等不同類型，船體部分包括船殼、動(dòng)力系統(tǒng)（螺旋槳、舵）、主甲板三大部分，其中船殼和螺旋槳都具有復(fù)雜空間曲面。（3）材質(zhì)多樣化特點(diǎn)。甲板、圍壁、門、窗、梯、護(hù)欄、通信通導(dǎo)設(shè)備等通常具有不同的材質(zhì)。

以 45 米雙體游船為例，在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，主要技術(shù)參數(shù)和總布置圖如表 1、圖 1 所示。船舶航行區(qū)域?yàn)樵颇辖鹕辰?，屬?B 航區(qū)，J2 航段，建造數(shù)量為 2 條。船體為雙體結(jié)構(gòu)，雙槳雙舵，從影響外觀造型的材質(zhì)包括油漆、銅、玻璃、塑膠地板、不銹鋼、木材、橡膠等 10 余種材質(zhì)。

2 3D 打印技術(shù)在游船造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式

結(jié)合 3D 打印技術(shù)的成型優(yōu)勢(shì)，從游船設(shè)計(jì)研發(fā)來看，3D 打印技術(shù)在游船造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式有三種：（1）創(chuàng)意的呈現(xiàn)與推敲；（2）船型的開發(fā)與驗(yàn)證；（3）成果展示與展覽。概念設(shè)計(jì)階段以創(chuàng)意的呈現(xiàn)和推敲為主要目的，隨著船東和游客對(duì)審美的提升，在滿足功能的基礎(chǔ)上，造型美學(xué)、地域文化特色呈現(xiàn)等方面均需設(shè)計(jì)師充分發(fā)揮創(chuàng)意，模型成為階段評(píng)審和設(shè)計(jì)交流的重要媒介，船體、上建的造型以及船體和上建的協(xié)調(diào)關(guān)系是 3D 打印模型需要呈現(xiàn)的關(guān)鍵。船型開發(fā)與驗(yàn)證主要從船舶工程視角考量船舶造型與船舶穩(wěn)性、阻力性能等方面的關(guān)系，應(yīng)用于新船型的開發(fā)或目標(biāo)設(shè)計(jì)船型的安全性驗(yàn)證，需要借助船舶模型做相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，取得美學(xué)與科學(xué)性的完美統(tǒng)一。3D 打印模型的關(guān)鍵在于船體造型的精準(zhǔn)呈現(xiàn)。展覽展示，是設(shè)計(jì)研發(fā)成果的最終展示和交流，以企業(yè)形象和產(chǎn)品品牌的塑造為主要目標(biāo)，3D 打印模型追求的是設(shè)計(jì)效果的真實(shí)再現(xiàn)，在造型形態(tài)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上更加重視色彩、材質(zhì)的表達(dá)，精細(xì)的表面處理與裝配是保證最后游船 CMF 視覺效果完整呈現(xiàn)的關(guān)鍵。

3 3D 打印技術(shù)在游船造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程

游船 3D 打印的流程主要包括：（1）數(shù)字化模型建立；（2）三維數(shù)據(jù)的優(yōu)化；（3）工藝的選擇；（4）3D 打印技術(shù)設(shè)備與工藝選型、參數(shù)設(shè)置、3D 打??；（5）表面處理；（6）裝配（如圖 2）。

3.1 游船三維數(shù)字化模型建立3D打印技術(shù)在輪船造型上的應(yīng)用

Rhino 是美國 Robert McNeel 公司推出的基于數(shù)學(xué)方程的 NURBS 為主的三維數(shù)字化建模軟件，具有軟件小巧、界面友好、曲面造型功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，成為游船游艇設(shè)計(jì)重要軟件之一，本模型采用 Rhin06.0 建立，建模比例為 1：1。

251 客位 45 米雙體游船總體上是對(duì)稱結(jié)構(gòu)、船體沒有球鼻艏、方尾構(gòu)造。總體思路采用對(duì)稱方法，先根據(jù)二維平面圖紙建一半再鏡像、合并完成對(duì)象。船殼部分采用放樣方法進(jìn)行整體建模；根據(jù)型線圖（如圖 3），將站位按圖紙規(guī)定間隔在犀牛軟件中依次排列好，重新構(gòu)建每條站位曲線，確保每條曲線的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)相同，且排列有序依次對(duì)應(yīng)，在船體形狀變化較大的部位依據(jù)其他視角的剖面圖補(bǔ)畫站位圖，嘗試放樣并逐步修改，確保船體表面順滑且符合型線圖（如圖 4）；螺旋槳具有復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)曲面，首先采用放樣方法建立螺旋槳葉片所在曲面，然后按照正視圖修剪出螺旋槳形狀，便于曲面加厚葉片曲面并倒角，而螺旋槳整流罩是回轉(zhuǎn)體，由側(cè)視圖旋轉(zhuǎn)成型即可，舵為厚度不均勻的片體，采用放樣成型；甲板為中部稍高的近似平面，對(duì)照布置圖及側(cè)視圖掃掠得一層甲板，完成效果如圖 5 所示。

上層建模相較于船體部分約束較小，大范圍的造型曲面主要采用雙軌掃掠和放樣的操作。首先確定好上層甲板高度、艙室位置和面積以及樓梯步道的空間，接下來即可按照設(shè)計(jì)草圖建構(gòu)上建外觀」；上層大范圍的外包圍裝飾從側(cè)面著手，配合頂視圖生成空間內(nèi)的立體曲線，掃掠得曲面；艙室外壁對(duì)上下面的輪廓線進(jìn)行放樣；水密門、舷窗、通導(dǎo)設(shè)備、錨機(jī)、系纜設(shè)備和探照燈等按照國標(biāo)或圖紙建模，大艙室門、護(hù)欄、露天坐具等按照設(shè)計(jì)圖建模。涉及擠出、旋轉(zhuǎn)、沿曲線生成圓管、修剪、陣列、布爾運(yùn)算等操作，完成效果如圖 6、圖 7 所示。

3.2 游船三維數(shù)據(jù)的優(yōu)化

游船實(shí)物模型擬采用 1：100 的比例，即 45cm 長度。實(shí)體化過程多采用向內(nèi)偏移曲面、剪切等方法，大曲面如船體、側(cè)舷、上層外包圍、艙室墻體及曲面玻璃等適用，根據(jù)模型比例偏移曲面保證實(shí)物厚度在 1.5mm-3mm 范圍內(nèi)最佳，以便保證打印件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并盡可能降低成本；水密門、舷窗、通導(dǎo)設(shè)備、錨機(jī)、系纜設(shè)備和探照燈等成型后較為細(xì)小的零件必須為封閉實(shí)體，局部壁厚過小處需加厚（滿足加工條件與視覺效果）；建模時(shí)，各部件都是獨(dú)立狀態(tài)，并未組合，在最后的實(shí)體化過程中，將最后需要表現(xiàn)的材質(zhì)相同的、相連的、不影響表面處理的部件布爾運(yùn)算聯(lián)集，部件連接處考慮連接方法作適當(dāng)增減或削平。

3.3 游船模型 3D 打印

由于船體長寬厚方向上尺寸差異較大，考慮到大體積薄片狀物體容易扭曲變形，選擇 FDM 工藝進(jìn)行 3D 打??；而其他曲面此處選擇 SLA 技術(shù)為主，是因其成型復(fù)雜、零件精細(xì)，有較高的精度，表面質(zhì)量優(yōu)良的特點(diǎn)。船體采用 FDM 熔融堆積的 3D 打印技術(shù)，保證主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少變形。主要材料為 PLA，ultimaker3 打印機(jī)，主要參數(shù)如圖 8，層高 0.2mm，壁厚 1.2mm，走線寬度 0.4mm，填充密度 25%，打印溫度 195℃，打印平臺(tái)溫度 65℃，回抽距離 5mm，回抽速度 60mm/s，打印速度 50mm/s，起始層速度 25mm/s，支撐懸掛角度 60°，支撐密度 15%，打印平臺(tái)附著 brim。FDM 打印件因其成型原理導(dǎo)致層高較大（通常為 0.1mm-0.3mm）3D打印技術(shù)在輪船造型上的應(yīng)用