海洋工程技术公司DEEP近日宣布，其试验性水下人类栖息地「先锋号」（Vanguard）已在佛罗里达礁岛群国家海洋保护区的田纳西礁海域完成海底部署，安装深度约为17米。这是近40年来美国首次在公海海域部署水下常驻人类栖息地，而这一创举的背后，WAAM（电弧增材制造）技术起到了关键作用。Vanguard的壳体及关键压力容器部件均采用了WAAM 3D打印工艺制造，这一突破标志着大型金属增材制造技术在海洋工程领域进入了实质性的工程应用阶段。
Vanguard水下居住舱的技术参数与设计理念
Vanguard是DEEP公司设计的首个试验性水下人类栖息地，采用模块化压力容器结构设计。该栖息地可为4名乘员提供持续一周的干式生活和工作环境，舱内配备生命支持系统、通信设备、科学实验台和观测窗口。舱体外壳采用WAAM技术制造的耐压钢质结构，通过机器人增材制造逐层堆积成型，实现了传统锻焊工艺难以完成的复杂曲面和变壁厚设计——既保证了深水环境下的结构强度，又通过拓扑优化减少了不必要的材料堆积，实现了轻量化与高强度的完美平衡。Vanguard的压力容器部件此前已获得DNV（挪威船级社）认证，证明了WAAM制造压力容器在海洋工程领域的可靠性和合规性。
WAAM技术在海工领域的独特优势
相比传统海工结构制造工艺，WAAM技术展现出多个独特的竞争优势。首先，WAAM的沉积速率极高——每小时可沉积数公斤金属材料，对于Vanguard这样的数吨级大型结构，制造周期较传统锻造工艺缩短了60%以上。其次，WAAM可以制造超大尺寸零件，不受传统锻造设备的尺寸限制——DEEP使用的机器人WAAM系统可在数米级尺度上进行打印，未来制造更大的水下居住舱时无需增设锻造装备。第三，WAAM的原材料利用率远高于传统减材制造——传统工艺制造大型耐压壳体时材料利用率可能低至10-20%，而WAAM技术通过近净成形可以将材料利用率提升至80%以上，对于高价值特种钢材而言，材料成本的节省相当可观。
安装过程与技术挑战
Vanguard的海底安装是一项高度复杂的工程作业。重达数吨的栖息舱体通过专业工程船舶运输至佛罗里达礁岛群的指定安装位点，借助精准的浮力控制和定位系统缓慢下放至17米深的海底。安装团队需要克服佛罗里达海峡复杂的海流条件——该区域受墨西哥湾流影响，底层流速时常超过1节，给精确定位提出了极高要求。在海底就位后，工程团队还需要完成舱体的调平固定、外部管线连接、生命支持系统启动等一系列复杂工序。DEEP公司表示，整个安装过程比预期更加顺利，这得益于WAAM制造的高精度组件在装配阶段展现出的优异尺寸一致性——所有接口的匹配精度均在0.5毫米以内，无需任何现场修配。
对海洋科研和工程的意义
Vanguard的成功部署对海洋科学研究和海洋工程产业具有多重深远意义。对于海洋科学家而言，这意味着他们首次能够在海底常驻进行连续观测和研究工作，无需每日从水面浮潜——这将极大提升珊瑚礁生态研究、海洋酸化监测、渔业资源调查等工作的数据质量和研究效率。对于海洋工程产业而言，Vanguard项目证明了WAAM 3D打印技术完全有能力制造满足船级社认证要求的大型海工压力容器，这为深海潜水器、海底采矿设备、海上能源设施等领域的制造开辟了全新的技术路径。DEEP公司已宣布将在Vanguard的基础上开发更大更先进的水下栖息地系列，未来目标是在全球多个海域部署水下科研和生活设施网络。
WAAM技术与海洋工程的未来融合
DEEP的Vanguard项目成功实施后，WAAM技术在海洋工程领域的应用前景更加广阔。DEEP公司旗下已专门成立DML（DEEP Marine Labs）业务部门，专注于为海洋工程行业提供WAAM制造服务。从深潜器耐压壳体到海底管线法兰，从海上风电基础结构到深海采矿设备，WAAM技术正在逐步渗透到海洋工程的各个细分领域。据DEEP技术团队透露，公司正在开发下一代水下居住舱，将采用更大规格的WAAM制造系统和更多的增材制造组件，使栖息舱的深度能力从当前的50米级提升至200米级。
WAAM技术在深潜器和海洋装备制造中的战略价值
DEEP公司Vanguard项目的成功，揭示了WAAM技术在深潜器和海洋装备制造中的独特战略价值。传统深潜器耐压壳体的制造一直面临着「大尺寸难锻造、异形件难加工、小批量难开模」三大困境。一台载人深潜器的耐压壳体往往需要数百万元的特种锻造模具，制造周期长达6-12个月，一旦设计方案需要修改，模具成本将全部沉没。WAAM技术通过数字化逐层沉积的方式，从根本上规避了模具问题——设计变更只需修改数字模型，无需重新开模。在材料适应性方面，WAAM几乎适用于所有可焊接金属材料，包括HY100高强钢、钛合金Ti-6Al-4V、镍铝青铜等海工常用合金，且可以通过逐层调控冷却速度和热输入量实现局部微观组织优化。在成本层面，采用WAAM制造深潜器耐压壳体的综合成本较传统锻焊工艺降低30-50%，制造周期缩短50-70%，材料利用率从10-20%提升至80%以上。DEEP公司已经规划了下一代Vanguard II水下居住舱的设计方案，该方案将在当前基础上将居住舱的内部可用空间扩大3倍，下潜深度提升至100米，并配备更加完善的科研实验设施和起居空间，预计将在2028年完成部署。这一计划的推进将使WAAM技术在海洋工程制造领域的应用展现出更加广阔的商业前景和产业影响力。
来源：中国3D打印网