裝備備件三維打印應急制造材料優(yōu)選研究

□ 呂金建 □ 賈長治 □ 楊建春

1.陸軍工程大學 石家莊校區(qū) 石家莊 050003

2.南通理工學院 機械工程學院 江蘇南通 226002

1　研究背景

近年來，三維打印技術因其在制造領域具有重要的應用潛力而受到廣泛關注。金屬三維打印技術主要采用金屬粉末進行成型制造，可快速成型復雜零件，材料利用率高，材料形式為粉末狀，占用儲存空間小，攜帶方便。可見，金屬三維打印在裝備維修乃至戰(zhàn)場搶修領域具有重要的應用前景。目前，金屬三維打印的速度相對較慢，且精度和性能有待進一步提高，特別是在戰(zhàn)場搶修中，能夠在規(guī)定時間內進行三維打印應急零件的少之又少。隨著激光器的發(fā)展，以及多激光器與高功率能量技術的應用，金屬三維打印制件的速度和性能都得到較大提高，且國內的金屬三維打印技術和粉末制備技術將越來越成熟。隨著三維打印的市場化發(fā)展，打印成本必將大幅下降［1］。三維打印技術用于復雜武器裝備零件制造、備件應急制造，以及定制維修工具制造領域，并將越來越普及，對于裝備維修的發(fā)展具有重要意義［2-8］。三維打印由于相對傳統(tǒng)的批量制造而言成本較高，因此在裝備維修中更適合用于應急制造。在傳統(tǒng)的機械設計中，材料選擇需考慮機械性能、工藝性能、經濟性及環(huán)境性等多方面因素，而應急制造主要考慮制造出的備件是否滿足所要求的性能，因此，在裝備備件三維打印材料選擇時，主要考慮的是機械性能。

應用三維打印技術制造裝備備件的關鍵是選擇合適的材料，根據機械產品設計中的匹配原則和適度原則［9］可知，選擇材料并不能盲目追求高性能，而還應兼顧原零件的材料性能、受力模式、損傷模式等因素，以及戰(zhàn)場搶修的任務要求。此外，傳統(tǒng)選擇的金屬粉末材料成本普遍較高，從維修成本考慮，更應合理選擇合適的材料，以減少不必要的浪費。

筆者以火炮炮閂備件三維打印材料選擇為例，應用灰色關聯(lián)分析法、層次分析法（AHP）及專家打分法對待選材料進行評估，從而選出性能最接近炮閂零件材料性能的粉末材料。這一方法將主觀賦權法和灰色關聯(lián)分析法相結合，對于合理選擇火炮裝備備件三維打印材料具有一定的參考意義。

2　灰色關聯(lián)分析法原理

灰色關聯(lián)分析法是灰色系統(tǒng)理論的重要成果之一，是目前應用最廣泛、成果最多的灰色分析方法之一。灰色關聯(lián)分析法的實質是將數(shù)據與曲線幾何形狀進行比較，通過計算得出幾何形狀的接近程度。幾何形狀越接近，變化趨勢就越接近，關聯(lián)度也就越大［10-11］。灰色關聯(lián)分析法的步驟如下。

（1）確定評估指標體系，其中待評估的方案集記為 A=｛a1，a2，...，am｝， 評估方案的指標集記為 C=｛c1，c2，...，cn｝。

（2）確定參考數(shù)列X0及原始評估矩陣γ。

（3）對數(shù)據進行標準化處理。實際評估指標的量綱一般是不同的，為了便于不同指標間相同因素的比較，需要對原始數(shù)據進行標準化處理。標準化處理的公式為：

式中：j為方案號；i為性能指標號。

式（1）適用于效益型因素，式（2）適用于成本型因素。對所有因素進行標準化處理，得到評估矩陣X。

（4） 計算灰色關聯(lián)因子［12］。對于參考數(shù)列 X0，比較數(shù)列 X1，X2，...，Xn，令 R=|X0j-Xij|，有：

（5）計算指標權重。在實際決策中，不同指標對決策結果的作用和重要性是不同的，各目標賦予的權重將直接影響最終決策的結果。零件的工作模式和損傷模式不同，對材料性能要求也就不同，因此，各評價指標的權重并不固定，而是由技術人員根據零件對材料的性能要求進行調整。采用 AHP［10］求權重，步驟為：①建立評估對象的遞階層次結構；②構造判斷矩陣，并檢驗其一致性；③根據判斷矩陣計算權重向量。

根據專家意見，采用AHP的指數(shù)標度，即可得到判斷矩陣。AHP的指數(shù)標度含義見表1。然后運用加權求和法可以得到權重向量W。

（6）求關聯(lián)度。每個指標對應一個關聯(lián)度，而在實際評估中評價指標較多，所代表的信息分散，不能綜合表達出評估對象與參考對象的關聯(lián)度，為此采用非平權處理法對各指標的關聯(lián)度進行整合。計算灰色關聯(lián)度值：

表1　AHP指數(shù)標度含義

3　實例分析

炮閂是火炮的主要部件，具有閉鎖炮膛和發(fā)射炮彈的功能。炮閂的技術狀況直接影響火炮作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。炮閂作為影響火炮作戰(zhàn)效能的重要部件之一，其內部零件數(shù)量較多，且大部分體積較小，適合采用三維打印技術進行制造，因此以炮閂備件三維打印為例進行分析。

3.1　評價指標選取及待評價粉末材料確定

火炮炮閂零件所用材料為炮鋼，民用鋼材中40CrNiMoA合金工具鋼的成分和性能與炮鋼相似，但目前該材料還難以被制成粉末用于三維打印。為了用三維打印方式制造出與原零件性能相似的備件，在選擇材料時需要綜合考慮各項性能指標。對大多數(shù)零件而言，機械性能是主要的必選指標，因此選取表征機械性能的六項主要參數(shù)建立評價指標體系，指標集合u=（u1，u2，u3，u4，u5，u6）， 其中 u1為硬度，u2為抗拉強度，u3為屈服強度，u4為斷后伸長率，u5為斷面收縮率，u6為沖擊吸收功。

常見的金屬粉末材料有鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金、鎂合金等。筆者選取17-4PH不銹鋼、H13工具鋼、316L不銹鋼三種應用較成熟的粉末材料進行評估。三種金屬粉末材料及40CrNiMoA合金工具鋼的機械性能［11］見表2。表2中Rm為抗拉強度，Re為屈服強度，A為斷后伸長率，Z為斷面收縮率，AKU為沖擊吸收功。

3.2　確定原始評估矩陣及數(shù)據歸一化處理

參考數(shù)列X0=［38 980 835 12 55 78］，原始評估矩陣為：

表2　金屬材料機械性能

由于選取的評估指標均為效益型指標，因此根據式（1）對上述原始數(shù)據進行無量綱標準化處理，處理結果為：

3.3　計算評價指標權重

應用AHP的指數(shù)標度，根據專家意見，采用（1/9，9）最大期望算法，得到各評價指標之間的指數(shù)標度，見表3。

表3　各評價指標間指數(shù)標度

根據得到的判斷矩陣，應用加權求和法計算，得到權重向量W。經驗證，隨機一致性比率CR＜0.1，認為該判斷矩陣具有較滿意的一致性。

3.4　關聯(lián)度計算

根據前述計算得到 γi=（0.58，0.41，0.67）， 待選材料關聯(lián)度排序結果為H13工具鋼＞17-4PH不銹鋼＞316L不銹鋼，所以H13工具鋼和40CrNiMoA合金工具鋼的關聯(lián)度最大，結論為H13工具鋼的性能較其它兩種材料更接近于40CrNiMoA合金工具鋼。

4　結束語

材料是決定零件性能的根本因素，所以在制造備件前，應選擇性能與原零件性能最接近的材料來進行成型制造。評價材料性能的因素有很多，裝備備件炮閂三維打印材料的選擇主要側重于備件性能與原零件性能接近，可以采用灰色關聯(lián)分析法進行評估，綜合考慮多種因素，并將決策結果量化，應用AHP將專家知識融合，根據不同零件對性能的要求進行賦權，最終得到待評估材料與40CrNiMoA合金工具鋼性能的關聯(lián)度，選用關聯(lián)度最大的H13工具鋼用于制造備件。筆者設計的方法，同樣適合于其它裝備備件三維打印材料的選擇。

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