CompositesWorld雜志發(fā)布了新一年 復(fù)合材料行業(yè)的市場(chǎng)分析與展望——《2020復(fù)合材料行業(yè)市場(chǎng)縱覽》，本文移自其船舶及海洋篇

欣克利游艇公司旗下的Dasher游艇具有 碳纖維/環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)和電力推進(jìn)功能。

來(lái)源| Hinckley

　　美國(guó)國(guó)家船舶制造商協(xié)會(huì)（美國(guó)伊利諾伊州芝加哥市，NMMA）在2019年報(bào)告稱，2018年新動(dòng)力艇的單位銷量增長(zhǎng)了4％，達(dá)到280,000輛，創(chuàng)下自2007年以來(lái)美國(guó)休閑游艇業(yè)的最高記錄。NMMA預(yù)測(cè)2019年將增長(zhǎng)3-4％，并指出船舶制造商已將重點(diǎn)放在新產(chǎn)品上，尤其是在釣魚，水上運(yùn)動(dòng)和浮筒船上。 NMMA 2018年的主要趨勢(shì)包括：

　　以舷外發(fā)動(dòng)機(jī)（相較于舷內(nèi)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)）為動(dòng)力來(lái)大量生產(chǎn)船只的趨勢(shì)仍在持續(xù)，碳纖維（CF），環(huán)氧樹脂和3D打印方面的應(yīng)用也在不斷增加。統(tǒng)計(jì)調(diào)查公司（Statistical Surveys Inc.）銷售總監(jiān)瑞安?克洛普（Ryan Kloppe）在《船舶行業(yè)》（Boating Industry）2019年1月的預(yù)測(cè)報(bào)告中表示，該公司正在將16至40英尺的船舶報(bào)告類別擴(kuò)大至45英尺。“人們正在建造更大的船只，”他說(shuō)，并提到越來(lái)越多的大型船只使用舷外動(dòng)力來(lái)捕魚和巡航。

　　舉幾個(gè)舷外動(dòng)力船的例子-超過(guò)40英尺長(zhǎng)，每艘船上至少有3或4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)固定在橫梁上-包括Scout Boats’（美國(guó)南卡羅來(lái)納州，薩默維爾）的530 LXF（53英尺），HCBYachts（美國(guó)田納西州，Vonore）53英尺的Sue?os和65英尺的Estrella中控臺(tái)，以及Midnight Express'（美國(guó)佛羅里達(dá)州，邁阿密）60英尺的Pied-A-Mer。選擇舷外機(jī)是因?yàn)樗鼈冎亓枯p，并且減少了對(duì)船體內(nèi)部系統(tǒng)和空間的要求。與汽車一樣，船上的空間也非常寶貴。

　　每艘船舷外板的尺寸和數(shù)量不斷增加，使得復(fù)合材料船體和甲板需要在不犧牲性能的前提下減輕重量。后者（復(fù)材甲板）不僅意味著需要有在水中的長(zhǎng)期耐用性，還意味著更高的速度和對(duì)波浪沖擊載荷的抵抗力，以及深色涂料下的耐熱性，這些性能仍然繼續(xù)被廣泛采用。碳纖維和環(huán)氧樹脂提供了一種特別有效的組合，事實(shí)上，在Scout的530LXF和420 LXF型號(hào)上，都是通過(guò)樹脂灌注制造的。HCB公司的Estrella也是使用碳纖維。欣克利游艇公司（美國(guó)緬因州，西南港鎮(zhèn)）是著名的豪華生產(chǎn)商和長(zhǎng)期從事樹脂灌注工藝的熟手，已經(jīng)開始將其所有的航行及動(dòng)力模型改為環(huán)氧樹脂，而其40英尺的SportBoat船型和Dasher全電動(dòng)游艇則采用CF/環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)。不過(guò)，請(qǐng)注意，這些品牌代表的是高端市場(chǎng)。在市場(chǎng)中間價(jià)位的船舶通常使用 玻璃纖維和乙烯基酯樹脂，盡管樹脂灌注工藝已經(jīng)變得更加普遍。聚酯樹脂仍然用于最低價(jià)位的船只。碳纖維正逐漸滲入到中等價(jià)位的船只中，被用于封蓋船體縱梁和硬頂?shù)扰浼鳎ㄖ圃焐蹋┮苍敢鉃檫@種更高價(jià)位的選擇買單。

　　然而，正如俄亥俄州一位受訪者在接受《Boating Industry》調(diào)查時(shí)所說(shuō)，價(jià)格，仍是一個(gè)問(wèn)題：“船舶行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的定價(jià)對(duì)中產(chǎn)階級(jí)的游艇愛(ài)好者來(lái)說(shuō)是遙不可及的。那種買了“初代船”并順應(yīng)造船廠和船舶發(fā)動(dòng)機(jī)廠家價(jià)格升高的企業(yè)已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰了。我們需要以[合理價(jià)格]的船舶產(chǎn)品瞄準(zhǔn)年輕人群。”

　　電氣化可能是吸引年輕市場(chǎng)的一種潮流。“隨著諸如特斯拉（Tesla）和普銳斯（Prius）之類的混合動(dòng)力天然氣/電動(dòng)汽車的普及，并成為主流消費(fèi)者更為實(shí)用的選擇，諸多船舶制造商也紛紛效仿，” Boattrader.com上的2019年購(gòu)買者指南如是說(shuō)道。盡管電動(dòng)船早已被譽(yù)為“船舶業(yè)的未來(lái)”，并且實(shí)際上是1930年代之前摩托艇的標(biāo)準(zhǔn)，但它們進(jìn)入當(dāng)今市場(chǎng)的步伐卻很緩慢。但是，由于汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，電池和混合動(dòng)力技術(shù)的成本不斷下降，因此把電氣化引入了帆船和小型巡游動(dòng)力船，以消除礦物燃料的油箱，煙霧和環(huán)境影響。如包括欣克利（Hinckley）的Dasher，SoelYachts（荷蘭代爾夫特）的12米長(zhǎng)、可容納16人的Soel Cat 12，F(xiàn)rauscher（奧地利格蒙登）7.47米長(zhǎng)的740Mirage Air中央控制臺(tái)，Q Yachts（芬蘭）的Q30游艇和Secret33水上的士，ElectraCraft（美國(guó)加利福尼亞州，西湖村）的電動(dòng)浮筒船和Greenline Yachts（斯洛文尼亞Begunje）全長(zhǎng)10至21米的電動(dòng)和混合動(dòng)力船型系列。隨著可靠的續(xù)航里程和速度的確立，預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)將獲得更大的發(fā)展勢(shì)頭（請(qǐng)注意2019年7月創(chuàng)下的88.6英里/小時(shí)的新電動(dòng)船速度記錄）。大多數(shù)碼頭已經(jīng)建有可充電的電源。

　　再次驗(yàn)證這一點(diǎn)的一個(gè)項(xiàng)目是由SeaBubbles（法國(guó)巴黎）開發(fā)的全復(fù)合水翼艇，并得到了復(fù)合材料制造商DécisionSA（瑞士Ecublens）和Sicomin Epoxy Systems（法國(guó)Chateauneuf les Martigues）的支持。這種針對(duì)全球城市水路的環(huán)保出租車運(yùn)輸解決方案基于水翼設(shè)計(jì)，當(dāng)水上的士超過(guò)每小時(shí)12公里的速度時(shí)，該解決方案可使該船靜靜地在水面上滑行，從而將阻力降低30-40％。清潔充電的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能，風(fēng)能和水能，因此船舶不會(huì)產(chǎn)生任何二氧化碳排放。 SeaBubbles于2019年9月開始在巴黎塞納河上對(duì)這艘船進(jìn)行測(cè)試; 如果一切順利，可能會(huì)在2020年在巴黎開始商業(yè)服務(wù)。這項(xiàng)技術(shù)的制造商希望將SeaBubbles傳播到全球50多個(gè)水路豐富的城市。

　　另一個(gè)趨勢(shì)是3D打印在海洋市場(chǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越多。高端游艇已經(jīng)在使用3D打印部件。例如，欣克利（Hinckley）的Dashe電動(dòng)艇具有一個(gè)時(shí)尚的控制臺(tái)，該控制臺(tái)由六個(gè)嵌套互鎖的部分組成，并與緬因大學(xué)的高級(jí)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料中心（UMaine，美國(guó)緬因州奧羅諾，奧馬尼恩）合作進(jìn)行3D打印。根據(jù)欣克利工程總監(jiān)斯科特·布萊恩特（Scott Bryant）所說(shuō)，由于樹脂的收縮特性，使用傳統(tǒng)的模制玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FRP）很難生產(chǎn)出具有緊密公差的零件。如今，UMaine復(fù)合材料中心擁有世界上最大的聚合物3D原型打印機(jī)，最大的3D實(shí)體和最大的3D打印船。3D打印機(jī)名為MasterPrint，由Ingersoll Machine Tools（美國(guó)伊利諾伊州，羅克福德）與橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)田納西州，橡樹嶺）合作生產(chǎn)，可以打印長(zhǎng)100英尺×寬22英尺×高10英尺的物體，每小時(shí)可沉積500磅材料。 UMaine一直致力于這艘最大的3D打印船3Dirigo的研發(fā)，3Dirigo長(zhǎng)25英尺，重5,000磅，并在帶有波浪盆的海上模型測(cè)試設(shè)施Alfond W2海洋工程實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試。

UMaine復(fù)合材料中心的3Dirigo是一艘25英尺，重5,000磅的3D打印復(fù)合材料船。

來(lái)源| UMaine

　　世界上第一艘3D打印船是一艘長(zhǎng)6.5米、寬3米的Mini 650帆船，由Livrea Yachts（意大利巴勒莫）設(shè)計(jì)，由姐妹公司Ocore與Autodesk（美國(guó)加利福尼亞州，圣拉斐爾）、Lehvoss Group（德國(guó)漢堡）和Kuka Robotics（德國(guó)奧格斯堡）合作建造。Ocore是通過(guò)安裝在2.5米高的庫(kù)卡（Kuka）機(jī)器人上的擠壓頭使用熔融沉積建模（FDM）。擠壓頭熔化25%短切碳纖維增強(qiáng)聚酰胺（PA或尼龍）混合顆粒，并形成0.6毫米厚的沉積層，以制造船體、舵和其他部件。船體是用被稱為isogrids的工藝打印出來(lái)的，類似于航空航天的蒙皮縱梁設(shè)計(jì)，兩個(gè)CFRP蒙皮之間有CFRP波紋。Isogrid用結(jié)構(gòu)粘合劑進(jìn)行連接，并覆蓋碳纖維織物的外殼。據(jù)稱其優(yōu)點(diǎn)在于包括只需幾天的時(shí)間就能制造一個(gè)船體，使團(tuán)隊(duì)能夠打印不同的船體，分析速度預(yù)測(cè)和確定最佳形狀。

　　盡管3D打印應(yīng)用在船舶結(jié)構(gòu)上的技術(shù)才剛起步，但3D打印 模具的發(fā)展勢(shì)頭仍在繼續(xù)。已完成的項(xiàng)目包括Marine Concepts（美國(guó)佛羅里達(dá)州，開普科勒爾）的船體模型和Xplora Yachts（美國(guó)華盛頓州，柯克蘭）的10.4米長(zhǎng)船體建筑模具。MarineConcepts的模型是與Thermwood Corp.（美國(guó)印第安納州，戴爾）和定制復(fù)合物制造商Techmer PM（美國(guó)田納西州，克林頓）合作進(jìn)行的概念驗(yàn)證項(xiàng)目。使用Thermwood專利的大規(guī)模增材制造（LSAM）系統(tǒng)，在大約30小時(shí)內(nèi)，將3D打印的模型打印得稍大一些，然后將其修整到最終尺寸和形狀。3D打印的材料是Techmer的專利產(chǎn)品Electra l ABS LT1 3DP。最終分為六個(gè)部分印刷，四個(gè)主要的中心部分壁厚約38毫米，并有堅(jiān)固的3D打印橫梁和船首。該模型將使用Lord Corp.（美國(guó)北卡羅來(lái)納州，卡里）的多組分氨基甲酸酯粘合劑將各部分固定并粘合在一起。然后，在大約50小時(shí)內(nèi)，將組裝好的模型作為一個(gè)整體在同一個(gè)Thermwood系統(tǒng)上加工。據(jù)報(bào)道，整個(gè)打印，組裝和修整的過(guò)程僅需要不到10個(gè)工作日。該模型隨后被一個(gè)全功能生產(chǎn)船體模具與傳統(tǒng) 玻璃鋼（FRP）的成型工藝引用。

　　與美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL，美國(guó)田納西州橡樹嶺）合作的Xplora游艇船體建造模具自始至終采用的都是3D打印，該模具使用的是辛辛那提公司（美國(guó)俄亥俄州，Harrison）生產(chǎn)的大面積增材制造（BAAM）機(jī)器。盡管可以在12小時(shí)內(nèi)同時(shí)打印三個(gè)模具組件，但模具的全部12個(gè)組件已經(jīng)在五天內(nèi)進(jìn)行了打印，使用的是來(lái)自Techmer PM公司的2495千克20％短切碳纖維/ ABS Electrafil J-1200，每公斤11美元。材料總成本為27,500美元。這三個(gè)組件是用額外的3.8毫米的材料打印的，然后將其加工成光滑的表面。桿的橫截面和長(zhǎng)度都是通過(guò)Ashland（美國(guó)俄亥俄州都柏林）的Pliogrip Plastic Repair 10環(huán)氧樹脂在接縫處進(jìn)行組裝的。環(huán)氧粘合劑專為ABS設(shè)計(jì)，固化時(shí)間為60分鐘，可在組裝過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整校正。可以在3小時(shí)內(nèi)完成組裝，24小時(shí)內(nèi)固化。使用了Faro（美國(guó)佛羅里達(dá)州，瑪麗湖）的激光跟蹤系統(tǒng)將模具表面與原始CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示平均偏差小于1.27毫米。在打磨并涂層和脫模后，該模具用于樹脂注入E原型-玻璃纖維和凱夫拉泡沫芯船體。

　　但是，未來(lái)也許可以使用熱固性復(fù)合材料來(lái)打印模具，使用由Magnum Venus Products（MVP，美國(guó)田納西州諾克斯維爾市）與Polynt composites（美國(guó)伊利諾伊州，卡彭特斯維爾）及ORNL合作開發(fā)的新型反應(yīng)性添加劑制造（RAM）機(jī)器。作為世界上第一個(gè)大型熱固性復(fù)合添加劑制造系統(tǒng)，RAM于2019年9月發(fā)布，使用Polynt反應(yīng)沉積PRD-1520打印材料在8英尺乘16英尺乘3.5英尺的封裝中打印，該打印材料可在室溫下固化而無(wú)需紫外線照射激活。這項(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)是提供更低成本的固定裝置、熱成型工具和熱壓罐模具，以及需要熱固性聚合物提供更高熱性能的更廣泛應(yīng)用。

MVP的RAM系統(tǒng)。

來(lái)源| Magnum Venus Products

　　RAM系統(tǒng)包括大型打印平臺(tái)和落地式MVP泵送系統(tǒng)，只有打印頭安裝在計(jì)算機(jī)控制的機(jī)架上。泵送系統(tǒng)將短玻璃纖維增強(qiáng)的乙烯基酯樹脂和過(guò)氧化物引發(fā)劑準(zhǔn)確地測(cè)量并計(jì)量到打印頭的靜態(tài)混合器中。然后，如大多數(shù)熔融沉積建模（FDM）系統(tǒng)一樣，將混合樹脂通過(guò)噴嘴擠出。使用的是直徑為1.2毫米的噴嘴，打印速度約為1.2m / s。據(jù)報(bào)道，RAM可以實(shí)現(xiàn)FDM程度的功能，同時(shí)仍然可以提供接近7公斤/小時(shí)（15磅/小時(shí)）的高輸出量。