3D打印技术在轮船造型上的应用

3D打印技术在轮船造型上的应用。船舶海工产业面临升级转型，一方面，高技术船舶（智能船舶、新能源船舶）成为关注的重点；另一方面，游船（包括游艇、豪华游轮）的发展迎来了新的发展机遇，游船以「人」为主要运载对象，满足人的旅游、观光、休闲、度假、娱乐、商务交流、水上运动等为主要功能。随着船东和乘客对船舶审美、文化、舒适性等方面的需求不断增长，造型创意设计在游船设计中的重要性凸显，游船的造型设计不仅是游船功能的载体，更具有凸显地方文化魅力、展现城市发展形象、带动地方相关行业发展的重要作用。和其它产品设计一样，游船造型创意设计的评审、验证和展示离不开实物模型；而船舶具有单件或小批量、体量大、造型复杂、材质多样化等特点，传统设计验证的模型制作多采用泡沫、油泥、层板雕刻、木模等，不可避免的存在成型难、精确度不高、效率低下等缺点。相反，这正是 3D 打印技术的优势所在，它是根据所设计的 3D 模型，通过 3D 打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。3D 打印的全过程数字化制造具有按需打印，更快的速度、更标准的精度以及更少的手工操作的优点。为探索 3D 打印技术在游船造型设计中应用的有效性，优化 3D 打印游船模型的步骤与方法，以 251 客位 45 米双体游船为例，在分析游船造型特征基础上，应用 Rhino 进行船体建模和数据优化，进行非金属 3D 打印技术设备与工艺选型、参数设置、3D 打印，完成实物三维模型的制作。

1 游船造型特征解析

从工业设计视角审视游船，游船具有以下特征：（1）体量大、通常为单件或小批量。游船以运载「人」为主，像一座座水上建筑，设计与建造投入大，根据船东需求，游船通常是小批量甚至单件，相对于一般的工业产品，体量非常大，通常几十米到上百米。（2）造型复杂。船体类型有单体、双体、三体等不同类型，船体部分包括船壳、动力系统（螺旋桨、舵）、主甲板三大部分，其中船壳和螺旋桨都具有复杂空间曲面。（3）材质多样化特点。甲板、围壁、门、窗、梯、护栏、通信通导设备等通常具有不同的材质。

以 45 米双体游船为例，在初步设计的基础上，主要技术参数和总布置图如表 1、图 1 所示。船舶航行区域为云南金沙江水域，属于 B 航区，J2 航段，建造数量为 2 条。船体为双体结构，双桨双舵，从影响外观造型的材质包括油漆、铜、玻璃、塑胶地板、不锈钢、木材、橡胶等 10 余种材质。

2 3D 打印技术在游船造型设计中的应用方式

结合 3D 打印技术的成型优势，从游船设计研发来看，3D 打印技术在游船造型设计中的应用方式有三种：（1）创意的呈现与推敲；（2）船型的开发与验证；（3）成果展示与展览。概念设计阶段以创意的呈现和推敲为主要目的，随着船东和游客对审美的提升，在满足功能的基础上，造型美学、地域文化特色呈现等方面均需设计师充分发挥创意，模型成为阶段评审和设计交流的重要媒介，船体、上建的造型以及船体和上建的协调关系是 3D 打印模型需要呈现的关键。船型开发与验证主要从船舶工程视角考量船舶造型与船舶稳性、阻力性能等方面的关系，应用于新船型的开发或目标设计船型的安全性验证，需要借助船舶模型做相关的科学实验，取得美学与科学性的完美统一。3D 打印模型的关键在于船体造型的精准呈现。展览展示，是设计研发成果的最终展示和交流，以企业形象和产品品牌的塑造为主要目标，3D 打印模型追求的是设计效果的真实再现，在造型形态准确的基础上更加重视色彩、材质的表达，精细的表面处理与装配是保证最后游船 CMF 视觉效果完整呈现的关键。

3 3D 打印技术在游船造型设计中的应用流程

游船 3D 打印的流程主要包括：（1）数字化模型建立；（2）三维数据的优化；（3）工艺的选择；（4）3D 打印技术设备与工艺选型、参数设置、3D 打印；（5）表面处理；（6）装配（如图 2）。

3.1 游船三维数字化模型建立3D打印技术在轮船造型上的应用

Rhino 是美国 Robert McNeel 公司推出的基于数学方程的 NURBS 为主的三维数字化建模软件，具有软件小巧、界面友好、曲面造型功能强大等优点，成为游船游艇设计重要软件之一，本模型采用 Rhin06.0 建立，建模比例为 1：1。

251 客位 45 米双体游船总体上是对称结构、船体没有球鼻艏、方尾构造。总体思路采用对称方法，先根据二维平面图纸建一半再镜像、合并完成对象。船壳部分采用放样方法进行整体建模；根据型线图（如图 3），将站位按图纸规定间隔在犀牛软件中依次排列好，重新构建每条站位曲线，确保每条曲线的控制点个数相同，且排列有序依次对应，在船体形状变化较大的部位依据其他视角的剖面图补画站位图，尝试放样并逐步修改，确保船体表面顺滑且符合型线图（如图 4）；螺旋桨具有复杂的扭转曲面，首先采用放样方法建立螺旋桨叶片所在曲面，然后按照正视图修剪出螺旋桨形状，便于曲面加厚叶片曲面并倒角，而螺旋桨整流罩是回转体，由侧视图旋转成型即可，舵为厚度不均匀的片体，采用放样成型；甲板为中部稍高的近似平面，对照布置图及侧视图扫掠得一层甲板，完成效果如图 5 所示。

上层建模相较于船体部分约束较小，大范围的造型曲面主要采用双轨扫掠和放样的操作。首先确定好上层甲板高度、舱室位置和面积以及楼梯步道的空间，接下来即可按照设计草图建构上建外观」；上层大范围的外包围装饰从侧面着手，配合顶视图生成空间内的立体曲线，扫掠得曲面；舱室外壁对上下面的轮廓线进行放样；水密门、舷窗、通导设备、锚机、系缆设备和探照灯等按照国标或图纸建模，大舱室门、护栏、露天坐具等按照设计图建模。涉及挤出、旋转、沿曲线生成圆管、修剪、阵列、布尔运算等操作，完成效果如图 6、图 7 所示。

3.2 游船三维数据的优化

游船实物模型拟采用 1：100 的比例，即 45cm 长度。实体化过程多采用向内偏移曲面、剪切等方法，大曲面如船体、侧舷、上层外包围、舱室墙体及曲面玻璃等适用，根据模型比例偏移曲面保证实物厚度在 1.5mm-3mm 范围内最佳，以便保证打印件结构强度并尽可能降低成本；水密门、舷窗、通导设备、锚机、系缆设备和探照灯等成型后较为细小的零件必须为封闭实体，局部壁厚过小处需加厚（满足加工条件与视觉效果）；建模时，各部件都是独立状态，并未组合，在最后的实体化过程中，将最后需要表现的材质相同的、相连的、不影响表面处理的部件布尔运算联集，部件连接处考虑连接方法作适当增减或削平。

3.3 游船模型 3D 打印

由于船体长宽厚方向上尺寸差异较大，考虑到大体积薄片状物体容易扭曲变形，选择 FDM 工艺进行 3D 打印；而其他曲面此处选择 SLA 技术为主，是因其成型复杂、零件精细，有较高的精度，表面质量优良的特点。船体采用 FDM 熔融堆积的 3D 打印技术，保证主体结构强度，减少变形。主要材料为 PLA，ultimaker3 打印机，主要参数如图 8，层高 0.2mm，壁厚 1.2mm，走线宽度 0.4mm，填充密度 25%，打印温度 195℃，打印平台温度 65℃，回抽距离 5mm，回抽速度 60mm/s，打印速度 50mm/s，起始层速度 25mm/s，支撑悬挂角度 60°，支撑密度 15%，打印平台附着 brim。FDM 打印件因其成型原理导致层高较大（通常为 0.1mm-0.3mm）3D打印技术在轮船造型上的应用