美國國家船舶制造商協(xié)會(美國伊利諾伊州芝加哥市,NMMA)在2019年報告稱,2018年新動力艇的單位銷量增長了4%,達到280,000輛,創(chuàng)下自2007年以來美國休閑游艇業(yè)的最高記錄。NMMA預測2019年將增長3-4%,并指出船舶制造商已將重點放在新產品上,尤其是在釣魚,水上運動和浮筒船上。 NMMA 2018年的主要趨勢包括:
· Wakesport是2018年休閑游艇行業(yè)增長率最高的企業(yè)(9-11%),共計10000艘游艇。
· 浮筒船增長了4-6%,達到58000艘,其多功能性可用于釣魚,巡航至水上運動。
· 私人游艇繼續(xù)保持強勁,入門級價格上漲6-8%至68,000臺。
以舷外發(fā)動機(相較于舷內柴油發(fā)動機)為動力來大量生產船只的趨勢仍在持續(xù),碳纖維(CF),環(huán)氧樹脂和3D打印方面的應用也在不斷增加。統(tǒng)計調查公司(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月的預測報告中表示,該公司正在將16至40英尺的船舶報告類別擴大至45英尺。“人們正在建造更大的船只,”他說,并提到越來越多的大型船只使用舷外動力來捕魚和巡航。
舉幾個舷外動力船的例子-超過40英尺長,每艘船上至少有3或4臺發(fā)動機固定在橫梁上-包括Scout Boats’(美國南卡羅來納州,薩默維爾)的530 LXF(53英尺),HCBYachts(美國田納西州,Vonore)53英尺的Sueños和65英尺的Estrella中控臺,以及Midnight Express'(美國佛羅里達州,邁阿密)60英尺的Pied-A-Mer。選擇舷外機是因為它們重量輕,并且減少了對船體內部系統(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量不斷增加,使得復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(復材甲板)不僅意味著需要有在水中的長期耐用性,還意味著更高的速度和對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,事實上,在Scout的530LXF和420 LXF型號上,都是通過樹脂灌注制造的。HCB公司的Estrella也是使用碳纖維。欣克利游艇公司(美國緬因州,西南港鎮(zhèn))是著名的豪華生產商和長期從事樹脂灌注工藝的熟手,已經開始將其所有的航行及動力模型改為環(huán)氧樹脂,而其40英尺的SportBoat船型和Dasher全電動游艇則采用CF/環(huán)氧樹脂結構。不過,請注意,這些品牌代表的是高端市場。在市場中間價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變得更加普遍。聚酯樹脂仍然用于最低價位的船只。碳纖維正逐漸滲入到中等價位的船只中,被用于封蓋船體縱梁和硬頂等配件,船主(制造商)也愿意為這種更高價位的選擇買單。
然而,正如俄亥俄州一位受訪者在接受《Boating Industry》調查時所說,價格,仍是一個問題:“船舶行業(yè)對產品的定價對中產階級的游艇愛好者來說是遙不可及的。那種買了“初代船”并順應造船廠和船舶發(fā)動機廠家價格升高的企業(yè)已經被市場淘汰了。我們需要以[合理價格]的船舶產品瞄準年輕人群。”
電氣化可能是吸引年輕市場的一種潮流。“隨著諸如特斯拉(Tesla)和普銳斯(Prius)之類的混合動力天然氣/電動汽車的普及,并成為主流消費者更為實用的選擇,諸多船舶制造商也紛紛效仿,” Boattrader.com上的2019年購買者指南如是說道。盡管電動船早已被譽為“船舶業(yè)的未來”,并且實際上是1930年代之前摩托艇的標準,但它們進入當今市場的步伐卻很緩慢。但是,由于汽車行業(yè)的不斷發(fā)展,電池和混合動力技術的成本不斷下降,因此把電氣化引入了帆船和小型巡游動力船,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、可容納16人的Soel Cat 12,Frauscher(奧地利格蒙登)7.47米長的740Mirage Air中央控制臺,Q Yachts(芬蘭)的Q30游艇和Secret33水上的士,ElectraCraft(美國加利福尼亞州,西湖村)的電動浮筒船和Greenline Yachts(斯洛文尼亞Begunje)全長10至21米的電動和混合動力船型系列。隨著可靠的續(xù)航里程和速度的確立,預計這一趨勢將獲得更大的發(fā)展勢頭(請注意2019年7月創(chuàng)下的88.6英里/小時的新電動船速度記錄)。大多數碼頭已經建有可充電的電源。
再次驗證這一點的一個項目是由SeaBubbles(法國巴黎)開發(fā)的全復合水翼艇,并得到了復合材料制造商DécisionSA(瑞士Ecublens)和Sicomin Epoxy Systems(法國Chateauneuf les Martigues)的支持。這種針對全球城市水路的環(huán)保出租車運輸解決方案基于水翼設計,當水上的士超過每小時12公里的速度時,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%。清潔充電的電力驅動系統(tǒng)可轉換太陽能,風能和水能,因此船舶不會產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這艘船進行測試; 如果一切順利,可能會在2020年在巴黎開始商業(yè)服務。這項技術的制造商希望將SeaBubbles傳播到全球50多個水路豐富的城市。
另一個趨勢是3D打印在海洋市場中的應用越來越多。高端游艇已經在使用3D打印部件。例如,欣克利(Hinckley)的Dashe電動艇具有一個時尚的控制臺,該控制臺由六個嵌套互鎖的部分組成,并與緬因大學的高級結構與復合材料中心(UMaine,美國緬因州奧羅諾,奧馬尼恩)合作進行3D打印。根據欣克利工程總監(jiān)斯科特·布萊恩特(Scott Bryant)所說,由于樹脂的收縮特性,使用傳統(tǒng)的模制玻璃纖維增強塑料(FRP)很難生產出具有緊密公差的零件。如今,UMaine復合材料中心擁有世界上最大的聚合物3D原型打印機,最大的3D實體和最大的3D打印船。3D打印機名為MasterPrint,由Ingersoll Machine Tools(美國伊利諾伊州,羅克福德)與橡樹嶺國家實驗室(美國田納西州,橡樹嶺)合作生產,可以打印長100英尺×寬22英尺×高10英尺的物體,每小時可沉積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25英尺,重5,000磅,并在帶有波浪盆的海上模型測試設施Alfond W2海洋工程實驗室中進行了測試。
世界上第一艘3D打印船是一艘長6.5米、寬3米的Mini 650帆船,由Livrea Yachts(意大利巴勒莫)設計,由姐妹公司Ocore與Autodesk(美國加利福尼亞州,圣拉斐爾)、Lehvoss Group(德國漢堡)和Kuka Robotics(德國奧格斯堡)合作建造。Ocore是通過安裝在2.5米高的庫卡(Kuka)機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的工藝打印出來的,類似于航空航天的蒙皮縱梁設計,兩個CFRP蒙皮之間有CFRP波紋。Isogrid用結構粘合劑進行連接,并覆蓋碳纖維織物的外殼。據稱其優(yōu)點在于包括只需幾天的時間就能制造一個船體,使團隊能夠打印不同的船體,分析速度預測和確定最佳形狀。
盡管3D打印應用在船舶結構上的技術才剛起步,但3D打印模具的發(fā)展勢頭仍在繼續(xù)。已完成的項目包括Marine Concepts(美國佛羅里達州,開普科勒爾)的船體模型和Xplora Yachts(美國華盛頓州,柯克蘭)的10.4米長船體建筑模具。MarineConcepts的模型是與Thermwood Corp.(美國印第安納州,戴爾)和定制復合物制造商Techmer PM(美國田納西州,克林頓)合作進行的概念驗證項目。使用Thermwood專利的大規(guī)模增材制造(LSAM)系統(tǒng),在大約30小時內,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的專利產品Electra l ABS LT1 3DP。最終分為六個部分印刷,四個主要的中心部分壁厚約38毫米,并有堅固的3D打印橫梁和船首。該模型將使用Lord Corp.(美國北卡羅來納州,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小時內,將組裝好的模型作為一個整體在同一個Thermwood系統(tǒng)上加工。據報道,整個打印,組裝和修整的過程僅需要不到10個工作日。該模型隨后被一個全功能生產船體模具與傳統(tǒng)玻璃鋼(FRP)的成型工藝引用。
與美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL,美國田納西州橡樹嶺)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(美國俄亥俄州,Harrison)生產的大面積增材制造(BAAM)機器。盡管可以在12小時內同時打印三個模具組件,但模具的全部12個組件已經在五天內進行了打印,使用的是來自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。桿的橫截面和長度都是通過Ashland(美國俄亥俄州都柏林)的Pliogrip Plastic Repair 10環(huán)氧樹脂在接縫處進行組裝的。環(huán)氧粘合劑專為ABS設計,固化時間為60分鐘,可在組裝過程中進行調整校正??梢栽?小時內完成組裝,24小時內固化。使用了Faro(美國佛羅里達州,瑪麗湖)的激光跟蹤系統(tǒng)將模具表面與原始CAD數據進行比較,結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,未來也許可以使用熱固性復合材料來打印模具,使用由Magnum Venus Products(MVP,美國田納西州諾克斯維爾市)與Polynt composites(美國伊利諾伊州,卡彭特斯維爾)及ORNL合作開發(fā)的新型反應性添加劑制造(RAM)機器。作為世界上第一個大型熱固性復合添加劑制造系統(tǒng),RAM于2019年9月發(fā)布,使用Polynt反應沉積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需紫外線照射激活。這項技術的目標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用。
RAM系統(tǒng)包括大型打印平臺和落地式MVP泵送系統(tǒng),只有打印頭安裝在計算機控制的機架上。泵送系統(tǒng)將短玻璃纖維增強的乙烯基酯樹脂和過氧化物引發(fā)劑準確地測量并計量到打印頭的靜態(tài)混合器中。然后,如大多數熔融沉積建模(FDM)系統(tǒng)一樣,將混合樹脂通過噴嘴擠出。使用的是直徑為1.2毫米的噴嘴,打印速度約為1.2m / s。據報道,RAM可以實現FDM程度的功能,同時仍然可以提供接近7公斤/小時(15磅/小時)的高輸出量。