3D快速成型用于艦船裝備保障的展望與探索

熊 兵，胡 存，李乙邁，楊斌斌

（中國人民解放軍63691部隊，江蘇江陰 214400）

0 引言

隨著國防科技事業的快速發展，某型艦船所承擔的海上任務也越來越密集、頻繁，各系統裝備長期在高溫、高濕、高鹽的海域環境中使用，逐漸呈現出性能下降、可靠性降低、故障率上升以及保障難度增大的特點。特別是保障船舶生命力的動力系統，各設備備件種類繁多、結構復雜，僅2臺主推進裝置備件就達到3000多種,在保障航行任務過程中，購置、管理備件需耗費大量的財力、物力、人力。

3D快速成型技術（Three-Dimensional Rapid Prototyping Technology）是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[1-3]。隨著該技術的進一步成熟，美國、德國、法國等發達國家將其視為一種戰略性新興產業，高度重視并積極推廣該技術[4-5]。而隨著3D快速成型技術研究的深入化、推廣化以及生產材料的多元化，3D快速成型技術的應用進一步延伸到了航空航天、新裝備設計等軍工領域。

結合艦船裝備保障過程中的需求和3D快速成型技術的特點，研究3D快速成型技術在某型艦船裝備維修保障中的應用，探索艦船在裝備維修、設備改造等領域綜合保障能力提升的手段，為圓滿完成任務提供有力支撐。

1 某型艦船裝備維修保障的特點難點

根據船舶運行狀態的不同，某型艦船裝備維修保障主要分為碼頭準備階段和任務實施階段。

1.1 碼頭準備階段

以某型艦船動力系統設備的保障為切入點進行探討，根據維護手段不同，碼頭階段的維修保障方法可分為日常維護、設備修理等方面。

（1）日常維護。碼頭期間各專業隊組主要通過組織設備維護保養、故障檢修及問題歸零等手段開展日常性維護。如定期組織設備加電、備航等工作，通過定時加電、設備測試等手段，對所屬設備的狀態、性能進行全面掌握，完成設備技術狀態清查與可靠性檢查等工作。

（2）設備修理。碼頭期間，根據歷史任務中設備出現的問題和隱患，以及設備自身運行規律，形成XX任務航修工程單和自修工程單。根據修理工程單進行任務劃分，主要包括船廠修理、專業廠家修理及自修。

（3）備件籌措。根據所掌握設備的運行情況，綜合考慮備件庫存量、任務需要和備件經費等因素，對設備容易出現隱患的零件、經常消耗的部件、重大設備的關鍵部件進行備份。如：屬于需要定期更換的O形圈、橡膠墊等，屬于消耗品的儀表盤、濾器濾芯等。

1.2 任務實施階段

在海上執行任務期間，由于海上條件相對碼頭有諸多局限性，艦船裝備維修保障主要立足自身，條件較為苛刻，主要表現在3個方面。

（1）裝備保障技術要求高、獨立性強，缺乏外界支持。出海期間，各系統各設備長時間運行，設備故障的數量是碼頭階段的5～6倍。部分問題的技術難度非常高，對技術人員的專業素質和備件的準備水平要求很高，并且需要嚴格按照任務時間節點保障裝備的絕對可靠。這就要求艦船技術人員在沒有外界支持的情況下獨立完成所有問題的解決，由此可見，它的時間苛刻性、技術全面性要求相比碼頭階段更加嚴格[6]。

（2）裝備備品備件數量龐大，專業性強，存在籌措盲區。某型艦船由于其特殊的任務需求，設備種類繁多，備件來源非常復雜。以船舶動力系統所屬設備為例，主要大型設備來自10余個國家30多個廠家，備件數量達到萬余種。但目前難以做到對所有設備的零部件進行全面備份，僅能對部分易消耗、易發生故障的設備進行零部件備份，存在籌措上的盲區。

（3）現有備件庫存冗余度大，針對性差，備件利用率低。目前該型艦船出海期間裝備維修保障主要采取備件庫——“冗余備份”的模式，即參考設備歷史上出現過的故障、易發生的故障等情況，預先準備大量零備件，在設備受損時進行更換。由于受環境、時間因素影響，會導致備件強度、柔韌性下降，造成備件的損壞、浪費[7]。

2 3D快速成型技術

2.1 3D快速成型的技術特點

3D快速成型技術不需要模具，即可實現三維文件到成品的快速、直接轉化，可實現快速化、自由化的制造，給復雜、精密部件的生產，武器裝備的設計、裝備維修等提供了一條可實踐的道路[8-9]。

（1）制造零件速度快，可滿足緊急情況下裝備制造的需要。3D快速成型技術由于不需要預先制作模具，實際應用中只需要建立完備的三維模型文件（Pro/E，CAD文件等），而后根據產品工作強度、負荷要求等不同需求，選擇合適的產品原材料（金屬粉末、塑膠材質等），即可實現從數字文件向完備產品的自由制造。

（2）復雜制造能力好，可滿足不同情況需求。由于3D快速成型技術的原理是逐層打印，每一層之間材料用黏性較高的材料連接，復雜制造能力較好。因而實際應用中幾乎可實現任意形狀零件的制造，可應用于具有復雜內部結構的零件制造。

（3）材料利用率高，可有效降低零配件材料成本。傳統的制造手段是“減材制造”，即在原材料毛胚上進行切削、擠壓等工序，將多余的原料去掉，進而加工出所需部件。3D快速成型技術只依據所設計的三維模型尺寸，可實現所用即所得，對于一些精度要求不高的產品，無需二次切削、打磨作業，原材料向產品的轉化率甚至可以達到100%[10]。

2.2 3D快速成型技術的發展概況

3D快速成型技術在近10年來取得了令世人矚目的重大發展，正在逐步成為具有強大生命力和巨大發展前景的先進制造技術之一。

（1）航空航天領域。航空航天領域的應用是工業級3D快速成型技術最早探索的方向之一，最早3D快速成型技術用于制作航空設備的外觀模型和輔助風洞測試。航空航天領域的飛行器部件往往結構復雜、形狀特異，采用傳統制造工藝和方法不僅制造周期很長，而且成本較高，而這些因素正是3D快速成型技術擅長之處。

（2）工業制造領域。目前，應用傳統設計制造工藝，國內汽車生產廠家零部件模具開發周期一般在45 d以上，而3D打印技術可以在不使用任何刀具、模具和工裝夾具的情況下，實現零件的快速生產。國內已有不少汽車零部件企業通過3D快速成型技術制作氣缸體、缸蓋以及變速器齒輪等產品，主要在于單件和小批量的試制、生產，可迅速響應市場需求以及提供試制產品的檢測與實驗。

（3）國防軍事領域。目前3D快速成型技術在軍事領域的應用主要體現在武器裝備的個別受損部件、強度精度要求高的精密部件、復雜零部件的生產。主要利用3D快速成型技術小批量制造成本低、速度快、復雜制造能力強的特點，同時也有效降低了武器裝備在設計研發過程中產生的風險，縮短研制時間。

3 3D快速成型技術在某型艦船裝備維修保障中應用的可行性

3.1 艦船動力系統裝備故障規律分析

艦船全船各系統設備中，動力系統設備總數占有較大比例，因而其設備的維護狀態、裝備的保障水平很大程度上反映了艦船裝備保障能力的強弱，因此考慮以動力系統裝備故障發生規律為例，探究該型艦船裝備維修保障中的重難點。

3.1.1 設備故障類型統計

根據統計，“十二五”期間某船動力系統共參與完成海上任務22次，海上作業時間總計623 d，發生各類故障1596起。其中主機及附屬設備故障401起，電氣系統及設備故障463起，艙段系統及設備故障732起。按照故障類型可劃分為：設備本體故障（610起）、電氣及控制系統故障（556起）、管路閥件故障（326起）、泵浦及其它故障（104起）。故障分類統計見表1。

表1 故障類型分類統計

3.1.2 故障類型隨時間變化規律

故障類型在不同年份的故障數量如表2所示。變化規律如圖1所示。

表2 故障數量年分分類統計 起

圖1 故障類型變化趨勢

從圖1中可以看出，各類故障均呈逐年上升趨勢，整體上在2013和2014年分布較多。原因：①經過2012年和2013年比較繁重的海上任務，截至2013年和2014年設備接連保持（1～2）a多的高負荷運作，疲勞積累嚴重，導致設備故障增多；②截至2014年設備出廠運行已將近7 a，設備逐漸老化并進入故障高發期。

圖1還可以看出，設備本體類故障最多，而泵浦及其他類故障最少。這與設備本體需要經受更大強度的負荷、振動等有很大關系，通過分析故障，可知很多設備本體故障的產生，源于諸如螺栓斷裂、聯軸節損壞、皮帶斷裂等易損易耗零件的故障，因此艦船備件庫中存放較多的，也是諸如此類的消耗品。但即便如此，仍常出現庫存備件型號、尺寸與所需零件不匹配的情形。

3.1.3 解決措施分類統計

按照解決措施不同，船舶動力系統故障按照自修（666項）、廠所維修（364項）、更換備件（566項）進行分類（表3）。

表3 故障解決措施分類統計

由表3可以看出，在“十二五”期間，該船立足自身維修力量完成1232例（包括自修和更換備件）維修項目，占總故障數量的77%，實現了海上任務期間全時段的獨立維護、自主修理。與此同時，仍需要指出的是，“更換備件”解決措施占35%（總計566例項目）。

3.2 3D快速成型技術在艦船裝備保障中的應用前景

探索3D快速成型技術在艦船裝備維修保障中的應用，不僅適應和符合大環境的發展趨勢，也是對現有裝備綜合保障條件的進一步升級和完善，有助于提升艦船海上期間裝備維修和應急保障能力。

（1）及時制造維修配件，減輕緊急情況下的保障壓力。艦船所承擔的任務時間節點要求高，因而任務期間裝備必須處于“萬無一失”的狀態，因此研究故障裝備如何快速恢復戰斗力、如何縮短搶修時間就顯得尤為重要。

圖2為某軍工裝備搶修時間與可用裝備數量曲線。可以看出，在設備損毀率為2%的情況下，一星期后，有良好故障搶修能力的裝備可用率是“不修理”裝備的4倍左右。

（2）改變備件庫僅存放常用備件的常態，實現“全備件”保障。現有備件庫模式是基于老同志和技術骨干對易損耗的部件、易損壞的設備需求等經驗式的總結，因而在備件庫的完善上存在一定偏差。3D快速成型技術只需對所需要的備件進行相應的數據建模，形成三維模型文件，即可將現有的備件實體存放模式轉換為備件三維文件庫存放模式。

梳理全系統各設備的備件種類，結合國內外現階段3D快速成型技術的發展現狀與技術特點，梳理出該型艦船可應用3D快速成型技術進行再制造的設備備件分類（表4）。

（3）降低設備更新改造的設計以及制造成本，可實現全時段設備改造。以該艦船為例，截至目前已投入使用10 a，在操作使用過程中，發現一些設備、管路布置以及系統設置中存在的設計上的不足和使用上的不便，因此積極、主動地對現有設備進行改造是有必要的。

該船左右主機多次出現燃油管系振動磨穿和燃、滑油管系馬腳振斷、振裂等危害船舶安全的隱患，據此開展艦船機艙管系振動綜合治理研究，根據研究成果研制了“門”形雙抱HALF馬腳（圖3），有效解決了管系振動造成的燃油壓力波動等隱患[11]。該船2015年塢修期間，計劃拆檢艉軸密封裝置，而艉軸空間狹小、不便于人員使用現有工具拆裝。對此，從實際出發，設計、制造了艉軸密封裝置工裝件（圖4），解決了艉軸空間狹小不便于拆檢的難題。

圖2 某軍工裝備快速搶修效果

表4 某型艦船可應用3D快速成型技術再制造的設備備件分類

圖3 “門”形雙抱HALF馬腳

圖4 船舶艉軸密封裝置工裝件

4 有待解決的問題

基于3D快速成型技術的發展現狀，以及艦船現有的維修保障力量來看，仍有一些問題亟待解決。

（1）生產的產品能否滿足設備工作強度、負荷、精度的需求。出于設備需求和安全因素考慮，設備的每處產品均有相應的工作強度、最大壓力、最小誤差的要求。而依據目前艦船現有儀器設備條件，難以對基于3D快速成型技術生產的備品備件的強度、精度進行校核、驗證。

（2）全系統備件三維數據庫建立的可行性、可靠性、完備性。該型艦船設備種類繁多，且每個設備上的零部件也有很多種類、尺寸以及強度要求等，由于船舶管理人員是使用者而非設計者，因此很多設備只有簡單的裝配圖紙和使用手冊，難以找到其各個零部件的生產圖紙以及相應的精度要求，

（3）3D打印能否滿足備件材料的多樣性需求。艦船設備種類繁多，因而基于3D快速成型技術，其備品備件所需的材料多種多樣。而目前由于我國3D打印材料尚沒有相關要求、標準，且國內能生產滿足一定強度、精度要求的3D打印材料的企業比較少，現有的情況是大部分原材料主要依賴進口，因此成本較高。

5 結語

探討3D快速成型技術在某型艦船裝備維修保障中應用的可行性，重點介紹相對于傳統裝備維修方法，3D快速成型技術在解決當前艦船裝備維修保障中難題的特點和優點，同時探究實際應用中有待解決的問題進行。