Large Scale Additive Manufacturing of Cruise Ship Facades and Features : A process and feasibility study

Abstract

The form design of modern passenger ships is becoming increasingly complex. Facade panels and elements made of panels or sheets by traditional methods have limited design possibilities and, particularly complex or double-curved shapes are difficult and expensive to manufacture. In addition, cruise companies are constantly looking for new solutions that can entice customers to choose their particular cruises. There would be a demand for new manufacturing methods if their feasibility could be assessed and realised. This study charts the fabrication of facade panels and architectural elements for passenger ships using additive manufacturing techniques. The study evaluates the feasibility of such 3D prints and creates processes for design and manufacturing so that methods of additive manufacturing can be introduced in the future. Two case studies of façade elements were selected and their preliminary concepts were used to create and evaluate the processes involved. Material requirements were also defined for the cases, although no final material selection was made. The target cases did not achieve the desired weight savings, but that is estimated to be possible with further development. The work charts the requirements of the environment, the current possibilities for 3D prints in the maritime industry, and the suitability of prints for selected case studies. Of the environmental requirements, fire safety requlations set by International Maritime Organisation and the degradative effect of the tropical environment on polymers were found to be the most important. The study was conducted as part of the NOVUM EU horizon 2020 project. The material extrusion method was selected as the manufacturing method, and the process study was carried out with reference to this manufacturing method, but it has also been made suitable with little alterations for other printing methods. The pilot line to be developed in the NOVUM project will use material extrusion method. The process study identified a major impact of design expertise and knowledge of the printing process on the feasibility of prints and highlighted potential pitfalls in the process.

Nykyaikaisien matkustajalaivojen muotokieli monimutkaistuu jatkuvasti. Perinteisin menetelmin levyistä valmistetut julkisivupaneelit ja elementit ovat muotoilumahdollisuuksiltaan rajoittuneita ja etenkin monimutkaiset tai kaksoiskaarevat muodot ovat vaikeita ja kalliita valmistaa. Lisäksi risteilyvarustamot etsivät jatkuvasti uusia ratkaisuja, joilla voivat houkutella asiakkaita valitsemaan juuri heidän risteilynsä. Kysyntää uusille valmistusmenetelmille olisi, mikäli niiden kannattavuus pystytään arvioimaan ja toteuttamaan. Tämä tutkimus kartoittaa matkustajalaivojen julkisivupaneelien ja arkkitehtuuristen elementtien valmistusta materiaalia lisäävällä valmistustekniikalla. Tutkimuksessa arvioidaan tällaisten 3D tulosteiden kannattavuutta sekä luodaan prosessit suunnittelulle ja valmistukselle, jotta lisäävän valmistuksen menetelmiä voidaan ottaa käyttöön tulevaisuudessa. Kaksi julkisivuelementtien esimerkkitapausta valittiin ja niihin suunniteltiin alustavat konseptit, joita käytettiin prosessin luomisessa ja arvioinnissa. Tapauksille määritettiin myös vaatimukset materiaaleille, vaikkakin lopullista materiaalivalintaa ei tehty. Esimerkkitapauksista ei saatu tavoiteltuja painosäästöjä, mutta jatkokehityksellä niiden arvioidaan olevan mahdollisia. Työssä kartoitetaan ympäristön asettamia vaatimuksia, tämänhetkisiä mahdollisuuksia 3D tulosteille meriteollisuudessa, sekä tulosteiden sopivuutta valittuihin esimerkkitapauksiin. Ympäristön asettamista vaatimuksista havaittiin tärkeimmiksi Kansainvälisen merenkulkujärjestön asettamat paloturvallisuusvaatimukset ja trooppisen ympäristön polymeerejä rappeuttava vaikutus. Tutkimus tehtiin osana NOVUM EU horizon 2020 -projektia. Valmistusmenetelmäksi valikoitui materiaalin pursotusmenetelmät ja prosessitutkimus tehtiin tähän valmistusmenetelmään suuntautuen, mutta se on tehty myös soveltumaan muihin tulostusmenetelmiin soveltuvaksi. NOVUM-projektissa kehitettävä pilottilinja käyttää kyseistä materiaalin pursotusmenetelmää. Prosessitutkimuksessa tunnistettiin suunnitteluosaamisen ja tulostusprosessin tuntemisen suuri vaikutus tulosteiden kannattavuuteen ja tuotiin esille mahdollisia prosessin sudenkuoppia.