3D打印技術在車輛裝備戰場搶修中的應用

紀培彬，李慧梅，楊 明，唐彥峰

(1.陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161；2.陸軍軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

● 裝備保障EquipmentSupport

3D打印技術在車輛裝備戰場搶修中的應用

紀培彬1，李慧梅2，楊 明1，唐彥峰2

(1.陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161；2.陸軍軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

為更好地滿足車輛裝備戰場搶修要求，研究將3D打印技術引入到車輛裝備戰場搶修領域。分析3D打印技術應用于車輛裝備戰場搶修的可行性，論述3D打印技術應用于車輛裝備戰場搶修中的方法，提出3D打印技術應用于車輛裝備戰場搶修中的關鍵技術。

戰場搶修；車輛裝備；3D打印

作為集機動性、防護性及信息能力為一體的武器裝備作戰平臺，新型車輛裝備在現代戰爭中的作用越來越大，對其使用完好性和任務持續能力要求越來越高。為了贏得戰爭的勝利，對其實施有效地保障尤為重要。而隨著車輛裝備技術含量的增高和其復雜程度的提升，保障系統規模也越來越龐大，這給部隊維修保障帶來很大的壓力。探索新的維修方法和先進維修技術的應用，以提高維修效率、減少保障壓力成了一個亟需解決的問題。

3D打印技術作為一門新興技術，在交通、醫療、軍事、教育以及航空航天等多種領域得到了廣泛應用。目前，3D打印技術在我軍武器裝備維修領域已有初步探索，軍隊相關院校如原裝甲兵工程學院、原軍械工程學院等不同程度地開展了3D打印用于維修的研究[1]。借助3D打印技術對車輛裝備進行戰場搶修，可以實現備件、維修工具等戰時按需生產，從而減小保障規模、提高保障效率。

1 可行性分析

1.1技術可行性分析

跟傳統模型制作相比，3D打印具有傳統模具制作所不具備的性能優勢[2]：①打印過程與零部件的復雜程度無關；②打印生產成本與生產批量無關；③打印生產周期短；④打印材料無浪費。

3D打印技術本身也存在一些局限性。例如，打印時間較長，打印實體尺寸受限等，這些均會造成一定的應用風險。但是，3D打印在打印尺寸和打印速度上的不足并非不可克服。例如：Jasper Menger研制了一款機械臂3D打印機，打印尺寸最大可達8 m×3 m×2 m[3]。意大利Dynamo 3D 研制出了一款打印速度高達400 mm/s的 3D打印機[4]。另外，如果3D打印技術與傳統制造技術相結合，即增材技術和減材技術的結合，將很大程度提高3D打印的速度以及精度。所以，不斷發展的3D打印技術，對于車輛裝備戰場搶修來說，其技術上是可行的。

1.2實裝應用可行性分析

隨著3D打印技術和設備的發展，其在實裝使用方面也日臻成熟。 美國陸軍快速裝備部隊(REF)在戰區部署了第二個移動遠征實驗室(ELM)，使用3D打印機和計算機數字控制設備，修復在作戰中受損的飛機和地面車輛。美國海軍也將3D打印機規劃為海上船只的標配設備，不僅可為行駛中的船只打印供臨時使用的零件，還可用來打印無人機群，擬實現“海上制造”的能力。

我軍在“補給-2015行動”中，西部戰區后勤部門成功應用了集成在戰場搶修車中的3D打印設備，現場應急打印了車輛的聯軸器，節約了人力，提高了搶修效率[5]。

由此可見，3D打印技術已經初步適應野戰環境條件。隨著3D打印技術日臻完善，將不斷克服野戰惡劣環境的適應性問題，提高野戰化應用程度。

2 應用方法

車輛裝備戰損后，首先應當進行損傷評估，對于不影響當前任務的損傷裝備，不予以搶修，正常使用。對于影響當前任務的損傷裝備，按照損傷程度，可以依次采取應急使用、現場搶修、后送修理和報廢等4種處理方式。

現場搶修中，優先采用的方法是換件修理。換件修理是指使用備用的部件替換有功能故障的、損壞的或磨損的部件。但是，車輛零部件眾多，數量龐大，很難保證攜帶足夠匹配的備件。當沒有備件或條件不允許時，可以按照維修工作由易到難、資源消耗由少到多、搶修時間由短到長的順序，選擇切換、切除、重構、拆拼、替代、原件修復、制配等方式予以搶修[6]。

2.1搶修內容

(1)制造零件。在戰場上，車輛裝備由于戰場損傷無法完成預定任務，得不到備件進行維修的情況時有發生。利用3D打印技術實時制造零件，能有效解決類似問題。3D打印尤其適用于制造以下類型的零件：①較重要的易損件；②不攜帶的不易損件；③占空比大的零件；④可暫時用其他材料替代的金屬零件；⑤結構可簡化的零件；⑥尺寸可調整的零件；⑦已停止生產的零件。

(2)制造維修工具設備。戰場環境下，維修工作難免會遇到維修工具準備不到位的情況。利用3D打印技術，一線維修人員可根據預先準備的圖紙，現場打印維修所需的維修工具或設備，必要時還可由后方設計人員根據前線維修需求臨時設計新的維修工具和設備，再利用前線部署的3D打印機制造定制的維修工具[7]。

2.2搶修方法

(1)現場搶修的換件修理。利用3D打印系統，幫助維修人員利用三維模型和3D打印設備，現場快速生產原型產品。

(2)現場搶修中的重構。重構是指系統損傷后，利用搶修器材或就便物資，重新構成能完成其基本功能的系統。如桿類零件折斷后的焊修、表面裂紋的粘接焊修、管類零件的修復等。利用3D打印系統，可以對折斷、裂紋等進行自由臂原位修復，也可以現場打印損壞部分，予以更換。

(3)現場搶修中的原件修復。原件修復即利用在現場上實用的手段恢復損傷單元的功能或部分功能，以保證裝備完成當前任務或自救。為完成修復任務，可應用刷鍍、噴涂、粘接、堵漏等技術。利用3D打印系統，可以打印堵漏塞等修復器材，也可以按照重構的方式，打印破損段進行原件修復。

(4)現場搶修中的制配。制配即自制元器件、零部件以替換損傷件，分為按圖制配、按原件(品)制配、無樣件(品)制配等。利用3D打印系統，可以對破損件進行現場制配。由于戰場上時間因素的約束，制配時應當對損傷部件進行簡化設計，保留主要功能，以節約打印時間。

(5)后送修理。可在后方保障機構配置3D打印系統，對戰場上后送的損壞件進行備件、工具、器材等的打印和更換。

2.3搶修模式

(1)伴隨保障。可以將3D打印機安裝在搶修車上，伴隨轉場，當車輛裝備出現故障或損壞，視情打印、換件或維修。

(2)巡回修理。在兩車一組的巡回修理中，可在修理車或保養車上安裝一臺3D打印機，當配件不足或不匹配時，可采用3D打印進行維修。

(3)駐地維修。對于后送的戰損裝備，當配件儲存量不足或有特殊件損壞不易維修的，可使用3D打印進行打印配件。

(4)遠程維修。充分利用網絡平臺，將3D打印與遠程診斷相結合，可采用前方診斷、數據傳回、打印配件、送達配件進行維修。

3 關鍵技術

3.1權衡分析技術

受戰場環境、車輛裝備戰損件的特性以及3D打印技術的特點限制，并不是所有的車輛裝備零部件都適用于3D打印，所以需要利用權衡技術對3D打印件進行選取。

研究影響車輛裝備應急搶修的各種因素，如根據損傷模式和損傷機理確定的部件搶修需求，部件搶修的時間限制、費用限制、質量要求，部件本身的損傷程度、重要程度和個性化程度等，分析各個因素在不同時期、不同用途和不同要求下的權重轉換關系，利用運籌學中的權衡建模方法，建立用于權衡車輛裝備的某個部件或某個工具是否可用3D打印的權衡模型。

3.2代用材料技術

3D打印能夠打印金屬、尼龍、塑料、光敏樹脂等不同材料，塑料(如ABS、PLA等)打印精度和速度都比較高、成本低，而金屬和尼龍則成本高、速度慢，且適用的打印機造價高、數量少。可見，選擇不同的材料，對3D打印現場搶修的效率、成本有重要的影響。結合戰場搶修的要求，可適當降低維修的標準，使用代用材料打印零件，保證車輛裝備能夠完成作戰任務或實現短時間工作。因此，研究能夠滿足戰場搶修應用的代用材料，提高打印速度，是一種需要著重研究的技術。

3.3控制策略技術

目前，在3D打印技術中，由于3D打印方法和材料的限制，如果想提高打印的效率，很大程度上取決于3D打印控制技術。

3D打印控制技術主要是研究3D打印噴頭行走路徑的控制算法。3D打印噴頭行走多余的路徑，將降低打印速度；3D打印路線的變化更會影響打印件的力學性能。所以需要利用控制系統理論及路徑規劃方法，針對不同的打印需求，從速度、精度、質量等方面，研究3D打印的控制策略和打印路線，以最少的時間和成本完成打印需求。

3.4野戰適應性技術

應急搶修環境惡劣，經常需要野戰機動，而3D打印對精度要求比較高，需要對野戰環境的需求進行研究。其中，震動是影響精度的重要因素，因此，研究防震技術或容震技術是應用于實踐的首要問題。

目前，防震技術可分為被動式防震技術和主動式防震技術。

被動式防震技術無需對3D打印機內部進行改造，也就是不需要3D打印機內再加裝任何軟件和電子元器件，只是在3D打印件外部加裝減震的緩沖層或減震的元器件。例如：在3D打印機的周圍填充一些海綿或橡膠材質可以吸收震動的緩沖層，從而可以避免一些偶爾的顛簸或者輕微的顛簸對3D打印機所造成損傷；或者在3D打印機底部加裝減震彈簧，減震彈簧的效果比海綿等的緩沖層的減震效果更好。

主動式防震技術在被動式技術的基礎上還需加入加速感應芯片，判斷3D打印機是不是處于震動中或跌落狀態，還需預裝在系統中的特殊軟件對3D打印機進行管理，也就是所謂的軟硬結合，可以最大限度保證3D打印機在頻繁的震動或顛簸下的打印安全。當3D打印機出現了振動、撞擊或者跌落，主動式防震技術會以毫秒為單位迅速將3D打印機的噴頭從工作狀態收回到噴頭停止區，從而減小撞擊對3D打印機的損害，保護3D打印機以及所打印的目標零部件。

除了防震外，在戰場環境中，3D打印機還要適應其他野戰環境，如風沙、高溫、高寒、潮濕、電磁等，這些都是3D打印應用于搶修實踐的制約因素和關鍵技術。同時，3D打印如果要真正在戰場中得到充分應用，還要解決其他一些關鍵技術，如3D打印機本身的可靠性、生存性、測試性、維修性、保障性和環境適應性等質量特性。

4 結 語

3D打印技術的特點很好地吻合了我軍車輛裝備維修“以最少的維修資源消耗，取得最好的維修效益”的原則，在我軍車輛裝備維修領域將大有作為。

隨著3D打印技術的不斷成熟和車輛裝備戰場搶修3D 打印技術體系的不斷發展，3D 打印技術將有效解決我軍車輛裝備在戰場搶修中存在的維修備件不足且不易獲取等實際問題，必將在車輛裝備戰場搶修方面發揮著不可替代的作用。

[1] 朱勝,柳建,殷鳳良,等. 面向裝備維修的增材再制造技術[J]. 裝甲兵工程學院學報,2014(1):81-85.

[2] 陳淳輝.芻議3D打印技術在艦船裝備維修保障中的應用[J].現代制造技術與裝備,2015 (1):46-60.

[3] 中國3D打印機網.帶機器人臂的3D打印機可打印8米長對象[EB/OL].(2015-03-24)[2017-03-20].http://www.china3dprint.com/news/9623.html.

[4] 中國3D打印機網.意大利DYNAMO公司推出快速打印的D3D一EVO 3D打印機[EB/OL].(2014-07-19) [2017-03-20].http://www.3ddayin.net/news/7808.html.

[5] 歐陽治民. 3D打印提升裝備野戰搶修效率[N].解放軍報，2015-08-12(2).

[6] 甘茂治,康建設,高崎.軍用裝備維修工程學[M].北京:國防工業出版社,2005:317-315.

[7] CAFFREY T.Additive manufacturing and 3D printing state of the industry annual worldwide progress report[J].Engineering Management Research,2013,2(1):209-222.

(編輯：孫協勝)

Applicationof3DPrintingTechnologyinVehicleEquipmentBDAR

JI Peibin1, LI Huimei2, YANG Ming1, TANG Yanfeng2

(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

In order to meet the requirements of vehicle equipment BDAR, the paper introduces 3D printing technology into the field of vehicle equipment BDAR. It firstly analyzes the feasibility and methods of applying 3D printing technology in vehicle equipment BDAR. Then, it provides key technologies of applying 3D printing technology in vehicle equipment BDAR.

battlefield damage assessment and repair (BDAR); vehicle equipment; 3D printing

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.008

E246

A

1674-2192(2017)10- 0029- 04

2017-04-20；

2017-05-26.

紀培彬(1992—)，男，碩士研究生；唐彥峰(1962—)，男，碩士，教授，碩士研究生導師.