刘李明 马飞 谷燕
关键词：3D打印技术;游船;造型设计;数字化建模
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
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爾运算联集，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導致层高较大（通常为0.1mm-0.3mm），表面层纹较为明显，在上漆前需经过补土（主要有水补土、牙膏补土，原子灰亦可）打磨处理，最后喷2-3层水补土打磨平整。上建的外包围及舱室采用SLA光固化的3D打印技术，主要材料为光敏树脂，光固化打印精度较高，表面只需打磨处理后即可上漆。打印设备为Objet500打印机（如图9），主要参数是：层高0.2mm，壁厚1.2mm。
切片是决定打印质量的一大关键，影响做打印件的质量和打印效率;打印机从物件底层开始打印，底层是整个打印件的根基，附着打印平台且支持上层，底层选择有以下原则：平面尽可能大和多;打印平台附着多选择“Brim”以避免翘边、使底面平整且增加地面附着力;整体重心靠下;外壁与打印平面法线夹角不宜过大。此外，合理选择支撑结构以及支撑底部与顶部距离可以更好地去除支撑并保证支撑接触面良好的成型效果。
3.4配件制作与模型的表面处理
甲板采用1mmABS板激光雕刻制作，由建模图中甲板平面生成线框，激光雕刻成型，为表现木甲板层次，使用遮盖带交错遮盖表面进行喷漆，以达到高度落差和颜色深浅效果。平面玻璃采用1mm透明亚克力激光切割成型。雷达、探照灯、桌椅等同样采用光固化打印;螺旋桨和锚采用市面有售的模型船用铜质件;救生圈采用市面有售的模型船用注塑件;楼梯采用市面有售的模型船用相同比例的铜质蚀刻片弯曲折叠成型;扶梯和天线采用016-1.0mm直径规格的棒和铜管弯曲成型。
适当的表面处理对于考究整体效果的实物模型来说是极为重要的。游船模型需要经过打磨、喷漆、粘合三大环节。打磨、对于PLA和金属材料，使用50-200目砂纸开始打磨;对于ABS等硬度不太高的材料，使用400目砂纸开始打磨，依次打磨至2000-3000目即可;打磨时沾水可减少扬尘且表面更细腻并更易打磨;水补土的漆面从1500-2000目开始打磨;机械处理办法有喷砂机喷砂处理等。喷漆，喷笔相比喷罐优点是漆面厚度易于控制，漆面更细腻，色彩选择范围广，缺点是大面积喷涂更容易造成漆面不均匀;此处采用带储气罐的气泵及模型用0.3-0.5口径喷笔进行喷漆，大口径喷涂水补土及大面积漆面，小口径适用与其它场景;理论上水补土在喷涂面漆之前必须要有，以保证表面附着力，金属表面有专用金属底漆;油性漆及珐琅漆附着力好，发色好，但毒性大;水性漆及丙烯漆则相反。粘合，在粘接顺序上，遵循先大后小、先内后外的原则，即先粘接大块和内部部件，然后粘接小零件和外部零件;同种材料之间一般有专用胶水，如ABS胶、UV胶等，此处不同种材料之间采用401胶，具有固化速度快、粘接强度高的优点;透明亚克力处使用咖喱胶，避免401胶固化时发白影响效果，粘合过程和最终完成效果（如图10）。
4结论
1）面向游船单件或小批量、体量大、造型复杂（船体大曲面、螺旋桨异形曲面、上层建筑大面积曲面围壁）的特征，3D打印技术在游船造型三维模型制作过程中，具有明显的优势，能极大地缩减设计后期实物验证模型的制作时间以及整个设计流程周期，同时保证了验证实物与三维模型之间极小的差距，将设计工作的效率提升到了新的高度。为游船设计过程中新设计思想的校验、方案原型制作等方面提供了一种有效的实现手段。
2）3D打印的全过程是数字化制造过程，数据模型的创建、优化与转换是3D打印的核心基础。设计师需要培养面向3D打印技术原理的数字化设计思维，比如三维数据需要实体化、由于工艺限制太小和太薄的对象不利于直接3D打印，结合游船由于体量大、船体长宽厚方向上差异明显、相对于船体体量还具有较多、较小的细节，这在游船三维数字化模型建立和优化过程中需要予以充分考量。
3）在目前的3D打印技术的普及程度下，对模型进行分件并以多种材料3D打印，加以表面处理，是保证实物模型视觉效果和真实性的一种较好的实现方式;游船作为一个复杂对象，具有多材质、相对于主船体还具有舾装、通导、消防等较多较小细节，为了能实现设计思想的“忠实”的呈现，能实现游船的CMF“完美”呈现，需要配合恰当的工艺组合策略，比如船体、甲板、玻璃分别采用FDM、SLA、激光切割工艺，各自做好表面处理后再进行组装，这样才能更有效发挥3D打印技术的优势。
