3D打印技術在后勤裝備中的應用研究

馮林+王巖+趙小兵

摘 要：為在后勤裝備保障中引入3D打印技術，本文闡述了3D打印技術的基本原理和核心理念，剖析了3D打印技術的主流分層加工工藝，通過與傳統加工模式的對比，揭示了3D打印技術的突出優點，同時對3D打印技術的發展趨勢進行了總結。通過以上分析并結合后勤裝備的研制、生產和維修保障的特點，深入論證了3D打印技術在上述領域的應用潛力和價值。

關鍵詞：3D打??； 快速成型；增材制造； 概念模型

中圖分類號：TL364 文獻標識碼：A

0.引言

3D打印技術是以數字化模型為基礎，應用特殊的成型設備，用液化、絲化、粉末化的材料，通過逐層添加堆積的方式實現無模成型的一種快速成型技術。由于其將復雜的三維形狀的零部件制造轉換為簡單的二維平面形狀的逐層打印，因此具備一體化“材料制備與精確成型”的特點。近年來，3D打印技術在國內外日益受到重視，其關鍵技術研究不斷取得突破，性能不斷提升，在軍事領域的應用取得一系列重要進展，本文初步探討3D打印技術在后勤裝備的研制、生產和維修保障等方面的潛在需求及應用優勢。

1.3D打印技術分析

1.1 3D打印概念

3D打印技術又稱“增材制造”，是80年代末90年代初在美國興起的一項高新制造技術，被認為是近20年來制造領域的最重大變革之一。 “增材制造”的核心理念是“分層處理、層面制造、逐層疊加”，由于其分層加工的過程與噴墨打印十分相似，故稱之為3D打印。

1.2 3D打印技術分類

按照分層加工的工藝不同，3D 打印技術主要分以下幾種。

（1）三維打印技術（Three Dimension Printing，3DP）：使用標準噴墨打印技術，通過將液態聯結體鋪放在粉末薄層上，以打印橫截面數據的方式逐層創建三維實體模型。

（2）熔融層積成型技術（Fused Deposition Modeling，FDM）：將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機控制下，根據截面輪廓信息，將材料選擇性涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層截面完成后，機器工作臺下降一個分層厚度再成型下一層，直至形成整個實體造型。

（3）立體平版印刷技術（Stereo Lithograph Apparatus，SLA）：以光敏樹脂為原料，通過計算機控制激光按零件的各分層截面信息在液態的光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂，直至得到三維實體模型。

（4）UV紫外線成型技術（Ultraviolet Radiation Process，URP）：與SLA相似，不同的是其利用UV紫外線照射光敏樹脂，一層一層由下而上堆棧成型，成型的精度最高。

（5）激光成型技術（Digital Lighting Process，DLP）：與SLA相似，不同的是其使用高分辨率的數字光處理器（DLP）投影儀來固化液態光聚合物、逐層的進行光固化，由于每層固化時通過幻燈片似的片狀固化，因此速度較SLA快。

（6）選區激光燒結技術（Selected Laser Sintering，SLS）：通過預先在工作臺上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末），然后讓激光在計算機控制下按照截面輪廓信息對實心部分粉末進行燒結。然后不斷循環，層層堆積成型。

1.3 3D打印技術優點

與傳統通過對原材料進行切削、組裝進行生產的“減式”加工模式不同，3D打印創造性的通過逐層堆積材料實現了“加式”加工，由此帶來一系列革命性變化。

（1）促進設計制造一體化

計算機輔助工藝（CAPP）在今后一段時期還無法實現與CAD、CAM完全無縫集成，設計制造一體化難以在此基礎上得到進一步的實現。3D打印技術減少了機械加工，能直接從計算機模型數據中生成各種形狀的物體，突破了制約設計制造一體化的瓶頸。

（2）提高裝備結構集成度

受傳統生產工藝所限，裝備大多由若干零部件組裝起來構成裝備的主體結構。這種組裝式的結構增加了產品的質量、體積、輔助度和故障概率，同時在制造和組裝過程中浪費大量的人力物力。3D打印技術的“加式”方法能夠實現高性能或超常性能的構件和結構，甚至某些特殊結構可通過一次成型而無須組裝，不僅提高了加工效率，也提高了裝備的結構強度與可靠性。

（3）加快裝備研發進程

裝備原理樣機的試制通常需要消耗相當長時間，是造成裝備研制周期滯后的主要因素之一。目前，3D打印技術能夠實現600dpi分辨率，每層厚度只有0.01mm，打印出的物體不僅可以展現外部造型設計，其內部結構甚至運動部件也都可以完全呈現。同時可使用的材料種類逐漸豐富，從主流的高分子材料到金屬、石料，據不完全統計，主流3D打印設備已經可支持120余種材料進行3D打印。打印速度方面，垂直可達到25.4mm/h以上。因此，3D打印技術有望縮短裝備原理樣機的制造時間，有利于加快裝備研發進程。

2.3D打印技術應用需求分析

2.1 3D打印發展趨勢分析

隨著智能制造的進一步發展成熟，先進信息技術、控制技術、材料技術等不斷在3D打印技術中得到應用，3D打印技術的發展呈現出如下發展趨勢：

（1）3D打印效率和速度繼續提升。隨著并行打印、連續打印、大件打印、多材料打印等工藝方法的成熟，打印速度和效率將會得到更大提升。

（2）3D打印材料更加廣泛多樣。隨著先進材料的不斷發展，新聚合材料、納米材料、合成生物材料、功能梯度材料、非均質材料及智能材料等都有望應用于3D打印。

（3）3D打印設備成本大幅下降。隨著技術進步及推廣應用，3D打印設備呈現系列化、便捷化的趨勢，打印設備的成本將大幅下降。endprint

（4）3D打印應用領域進一步拓展。3D打印技術早期主要運用于航空、航天、機械、建筑等行業的模型制作。現在已開始用來制造飛機、汽車、等高科技含量零部件，甚至皮膚、骨骼等活體組織。有理由相信3D打印技術將在更加廣泛的行業和領域中得到應用。

2.2 3D打印技術在后勤裝備中的應用需求分析

后勤裝備是實施后勤保障的裝備，是軍隊裝備的重要組成部分。后勤裝備又可分為通用后勤裝備和各軍兵種專用后勤裝備。例如：海軍專用后勤裝備是海軍實施后勤保障所使用的專用艦艇、飛機、車輛及設備、器材、裝具等的統稱。主要包括岸基裝備、海上裝備、岸海銜接裝備，涉及海軍軍需、衛生、油料、運輸補給、軍港勤務等不同專業。隨著軍隊建設的發展，后勤裝備將不斷提高技術水平，為此需要大量應用3D打印技術在內的新技術、新材料、新工藝。

2.2.1 3D打印技術在后勤裝備研制中的應用需求

后勤裝備研制傳統上首先由承研單位完成裝備的總體設計，而后承研單位與承制單位合作完成裝備的工程設計，接下來由承制單位負責樣機試制，樣機出廠后再交由使用方進行使用評價，根據使用方使用意見承研單位再對樣機設計進行修改完善，并由承制單位整改樣機，如此經多次反復，才能完成研制工作。此設計研發流程如圖1所示。

從圖1中可知，各環節間甚至各環節內部間缺乏交流溝通的統一平臺，研發流程完全是串行模式，致使研制效率較低，時間與開發成本較高。例如，在裝備總體設計階段，項目團隊往往只能借助抽象的手繪草圖進行方案設計討論，盡管CAD技術的應用可以實現在計算機上建立3D模型，在一定程度上彌補平面設計的不足，但在精度、質感、觸感的等各方面往往與預期的概念設計存在較大的偏差，不便于項目團隊間以及各研制單位間就相關問題展開交流，影響了方案比較分析的合理性。

通過應用3D打印技術，可以打造一個精準的平臺，甚至帶來設計研發流程的變化。如圖2所示。

從圖中可知，由于具有3D打印技術平臺的支撐，設計研發流程引入了更多的并行工程方法，例如在總體方案階段，基于3D打印的概念模型能夠使承研單位、承制單位甚至使用方都能夠直觀地看到和觸摸各方案模型，比較各個方案下裝備的結構、外形和功能的差別與優缺點，從而更合理的確定最優方案。同時3D打印的模型能夠更有效地反映出方案中存在的問題，使得以往在后續環節才可能暴露的問題可以在設計的早期階段就被發現并加以解決，最大限度地減少設計反復，縮短裝備研制時間，節省研制經費。甚至對于某些器材和裝具的樣機試制，完全有可能利用3D打印技術直接“打印”出原理樣機。

2.2.2 3D打印技術在后勤裝備小批量生產中的應用需求

各軍兵種作戰裝備專業化程度高，后勤保障往往呈現“一對一”的特殊性，相當數量的后勤裝備尤其是專用后勤裝備主要采取小批量生產的方式。這與傳統工業生產追求大批量、流水線作業的方式有很大不同，容易出現零部件采購周期長、單位成本高、各批次間質量控制難等問題。3D打印技術恰恰最適合定制化的專門領域，應用3D打印技術進行小批量裝備的生產完全可以利用一臺設備創建出裝備的各個部件，然后直接組裝成型。

2.2.3 3D打印技術在后勤裝備維修保障中的應用需求

3D打印技術具有快速制造的特點。據報道，美軍研發了基于3D打印技術的“移動零件醫院”并將其投入阿富汗戰場實際使用，能根據需求快速地進行零部件的小批量生產與修復。美軍甚至正在開發可以放到背包中的3D打印設備以便戰場環境下快速復制零件。后勤裝備現場級維修以換件修理為主，以海軍為例：其涉及在遠海條件下的后勤裝備，過去為了保證戰備完好性，出航準備期間需要補充相當比例的備品備件，給后勤保障造成很大負擔。3D打印技術為解決上述問題提供了有效的技術手段，進一步減輕后勤保障壓力。

結論

3D打印技術正在飛速發展，技術潛力逐漸發揮，應用領域不斷擴大。為此，加強3D打印技術在后勤裝備中的應用研究，對促進后勤裝備建設意義重大。

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