基于3D打印技術的裝備維修保障應用研究

2020-11-25 06:31:26陳方杰王成康辰龍張永鋒張鄭

科技與創新 2020年22期

陳方杰，王成，康辰龍，張永鋒，張鄭

基于3D打印技術的裝備維修保障應用研究

陳方杰，王成，康辰龍，張永鋒，張鄭

（陸軍工程大學軍械士官學校，湖北武漢 430075）

針對傳統的裝備維修保障模式難以滿足現代化軍事需求的問題，對3D打印技術在裝備維修保障領域的應用進行了研究。簡述了3D打印的技術優勢，分析了國內外運用3D打印技術解決裝備維修問題的應用現狀，包括在受損部件修復中、復雜結構部件制造中和戰時應急保障中的應用，提出了當前制約3D打印發展的關鍵技術，為3D打印技術更好地應用于未來信息化環境下的裝備維修保障提供了思路。

裝備維修；快速保障模式；3D打印；軍用裝備

無論是在戰爭時期還是在和平年代，軍用裝備器械都扮演著極其重要的角色。在其使用過程中難免會出現不同程度的損傷，如果損傷裝備得不到及時有效的修理，裝備的使用完好性和任務完成能力就會下降，極大影響部隊的戰斗力[1]。未來的信息化戰場也對裝備維修保障能力提出了更高的要求，裝備維修保障環境更加突變、保障任務更加繁重、保障需求更為多樣，給維修保障體系的創新式發展提出更為嚴峻的挑戰，而目前傳統的裝備維修模式往往存在保障效率低下和復雜零部件生產周期長等問題，將很難繼續適用。3D打印技術以其不受復雜形狀限制的快速制造優勢，被廣泛應用于小批量和復雜零部件的制造，在裝備維修保障領域具有廣闊的應用前景，有望成為推動裝備維修保障模式創新發展的重要技術手段和支撐。

1 3D打印技術原理與優勢

3D打印又稱增材制造（Additive manufacturing，AM），不同于減材制造方式，它是通過復層疊加方式來制造零件的，首先利用計算的程序對制件的模型進行分層處理，然后控制機器逐層地堆積切片材料，周而復始，將切片薄層堆積成體塊件，獲得三維實體零件[2]。目前，比較常見的3D打印技術主要有激光選區燒結（SLS）、激光選區熔融（SLM）、熔融沉積成型（FDM）和立體光固化（SLA）等。

將3D打印技術應用于裝備維修保障領域，與傳統保障模式相比，具有以下突出優點：①通過實體模型即能打印出零件，無需配備或囤積大量備份零部件；②不受復雜形狀的限制，解決了傳統保障模式制造困難、周期長等問題；③精確快速保障，能為戰時應急保障節省大量人力物力和時間成本。

2 3D打印技術在裝備維修保障中的應用現狀

2.1 在裝備受損部件修復中的應用

針對裝備使用過程中損傷的零部件，可根據完整的零件模型和受損零件實體，反向建立損傷處的三維修補模型，再利用3D打印技術實現零件的快速成形制造，恢復其形狀尺寸及功能特性。

21世紀初期，美國將3D打印激光熔覆沉積技術（Laser Engineered Net Shaping，LENS）應用于零部件修復。他們投入到阿富汗戰場的直升機因發動機葉片受損而發生故障，在基于3D數據建模的基礎上采用LENS技術成功地對其進行了修復，并且在使用中發現發動機葉片的各項性能獲得顯著提高[3]。隨著LENS技術在裝備受損修復領域中的進一步發展，美國建立了基于LENS技術的軍械裝備修復系統，為快速恢復裝備的戰斗力提供了有效保障，比如成功維修某型主戰坦克的燃氣渦輪[4]，快速修復AV-8式鷂式戰機的鼻錐受損部位[5]，均為其備戰和重返戰場節省了大量時間。但由于裝備零部件還存在種類、材料、尺寸等方面上的差異，單獨的某一種3D打印方式很難滿足信息化戰爭條件下復雜多樣的裝備維修保障模式，因此美國海軍實施的快速制造與維修（RMR）計劃配置了多種3D打印系統，比如SLS、SLM、FDM和電子束熔融（EBM）技術，以滿足各種老舊零件和工裝修復的需求[4]。

除美國外，國外許多其他國家也發現了3D打印技術在受損部件修復方面的優越性，開展了相應的工作。2015年，德國3D打印機制造商InssTek為韓國空軍完成了兩臺F-15K戰機上發動機護罩與空氣密封件的修復工作，他們采用的直接金屬模具制造工藝（Direct metal tooling，DMT）不僅能大大縮短了維修時間，還能保障質量的可靠性。2016年，以色列空軍維修單位為了快速恢復退役戰斗機的相關功能，利用3D打印技術生產替換掉損壞的部件，將制造周期由幾個月縮減至短短幾個小時[6]。

在國內，3D打印系統也已走進三軍保障體系，比如2015年中國海軍某艦隊利用戰艦尾部移動方艙里配備的3D打印系統，結合儲存的備件三維數據模型，對突發意外損傷的傳動齒輪進行了快速處理和修復，有效解決了及時進港停泊的問題。

2.2 在復雜結構部件制造中的應用

當裝備零部件的受損程度過大，無法通過修補的方式恢復其功能性時，通常需要更換備件。然而由于裝備的零部件種類繁多，難免會出現保障不足而導致缺少備件的情況。3D打印技術的制造過程無需開模，根據零件的三維模型便能制造出實體零件，能大大提升裝備維修保障效率，具有很大的應用潛力。國內外已認知到該技術的特殊優勢，并相繼開展了復雜結構零部件制造的應用探索。

美國GE公司已將金屬增材制造技術應用于航空發動機零部件的制造中，他們于2013年對Morris公司和AVIO公司進行了收購，并吸收了先進設備與制造經驗，成型出具有復雜內置流道的TiAl合金發動機葉片和燃油噴嘴等，如圖1所示[7]。美國某空軍為了實現受損零部件的快速維修，在基地配備3D打印設備，解決整流罩、天線等部件保障不足的問題，取得了較好的效果。英國雷尼紹公司利用自制的AM250激光熔融金屬快速成型系統，設計制造出了具有復雜精細流道結構的航空用冷卻部件，比傳統方法節省了幾倍的時間[8]。GE公司3D打印復雜結構件如圖1所示。

在國內，西北工業大學于1995年率先提出了激光立體成形的概念，2012年采用自主設計的激光3D打印機成型出了C919飛機的中央翼緣條制件，零件材料為鈦合金材料，其綜合性能優異，遠超過檢測標準[9]。華中科技大學首先開拓了SLM技術在航天領域的應用，制造出各種大尺寸復雜結構樣件[7]。

綜合以上國內外的應用實例我們可以看出，目前的3D打印復雜零部件制造技術主要集中在航空航天領域的應用上，由此可以推斷，3D打印技術也完全能勝任其他類型裝備零部件的制造與維修。

2.3 在戰時應急保障中的應用

隨著裝備系統的日益復雜，維修保障的規模也越來越龐大，這不僅會耗費大量的人力、物力，而且在戰時這種極端環境下還很難確保備件能及時供應。借助3D打印技術快速制造備件和維修工具，可以減小保障規模，極大提升部隊的搶修能力。國內外均針對戰場環境下使用的3D打印快速制造系統進行了有益的探索。

美軍快速裝備部隊（REF）在移動零件醫院建設的經驗上，引入3D打印機和機械自動化設備，研制出首個移動遠征實驗室（ELM），并于2012-07完成交付。2013-01，美軍又配備了第二個移動遠征實驗室，并用于戰場使用[10]。近年來，美軍將3D打印技術投入到陸戰、軍艦和太空探索，實現海、陸、空的全領域覆蓋。

我軍在“補給行動—2015”演練中首次將3D打印技術運用于后勤裝備的維修使用，由于損壞的聯軸器并不屬于易損部件，在演練前并未配有相應的備件，通過3D打印對聯軸器進行現場制作，高效地解決了這一窘境，大大提升搶修效率[11]。為了更好地將3D打印技術應用于戰時應急保障，西安交通大學、華中科技大學和空軍裝備部聯合研發了專門用于戰場環境使用的3D打印維修保障系統，如圖2所示，采取基于伴隨保障的搶修模式，能及時處理裝備出現的故障和損壞[12]。

圖2 戰場環境使用的3D打印維修保障系統

3 技術難點及研究方向

3.1 材料開發

目前，金屬材料的3D打印技術已日趨成熟，但隨著現代化技術的不斷發展，軍事應用對裝備材料的使用溫度要求越來越高，金屬材料將很難滿足某些極端使用條件下的性能要求，陶瓷材料以其耐高溫、高耐磨性和密度小的優勢，有望成為未來裝備材料的發展趨勢，因此，3D打印復雜形狀陶瓷零件成為當前學者們研究的熱點。3D打印陶瓷的研究工作主要體現在陶瓷粉末的激光成型、陶瓷膏體的擠出成型和陶瓷漿料的光固化成型這三種工藝方式上，然而現有的3D打印陶瓷制品普遍存在性能差、精度低的問題，如何提高陶瓷制品的使用性能成為亟需解決的問題。可以預見，這一難題的有效解決將大大提高3D打印技術在裝備維修中的應用范圍。

3.2 系統集成化

為了應對各類情形下的裝備維修，3D打印系統除了需要配備零部件數據庫軟件和三維模型反求系統外，還需要配備成型不同材料的3D打印機以及后處理設備，這將使得設施系統復雜、結構龐大、機動性能不足，因此開發集成化的3D打印系統，提高設備便攜性，對于實現未來裝備維修保障更加快速精確的需求至關重要。

4 結束語

3D打印技術因具有無需模具、不受復雜形狀限制、制造周期短、材料利用率高等優點，廣泛應用于各大領域。針對裝備維修保障領域，國內外已進行了大量有益的探索，取得了廣泛的應用成果，然而受到成型材料、系統集成化程度等方面的制約，限制了3D打印技術在未來現代化裝備維修保障領域的進一步發展與應用，還需要積極解決和探索3D打印技術在該領域的制約因素，提高我軍的裝備維修保障水平。

［1］紀培彬，李慧梅，楊明，等. 3D打印技術在車輛裝備戰場搶修中的應用［J］.軍事交通學院學報，2017，19（10）：29-32.

［2］何建斌，許燕，周建平，等.金屬增材制造技術的研究進展［J］.機床與液壓，2020，48（2）：171-175.

［3］馬振書，陳廣森，馬東璽，等.面向裝備應急保障的金屬增材制造技術［J］.兵器材料科學與工程，2016，39（6）：119-124.

［4］郭朝邦，胡麗榮，胡冬冬，等.3D打印技術及其軍事應用發展動態［J］.戰術導彈技術，2013（6）：1-4，9.

［5］郭繼周，吳集，鄧啟文.3D打印技術對裝備維修保障的影響與對策［J］.裝備學院學報，2016，27（2）：22-25.

［6］訾飛躍，李坡，張志雄.3D打印技術與裝備快速維修保障［J］.兵器材料科學與工程，2018，41（4）：106-110.

［7］黃衛東. 材料3D打印技術的研究進展［J］.新型工業化，2016，6（3）：53-70.

［8］金大元.3D打印技術及其在軍事領域的應用［J］.新技術新工藝，2015（4）：9-12，13.

［9］鮑飛，陳善忠，韓韡，等.金屬零部件制造的3D打印技術現狀及發展趨勢［J］.新材料產業，2018（5）：53-55.

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［11］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.

［12］張連重，李滌塵，崔濱，等.戰場環境3D打印維修保障系統——裝備快速保障利器［J］.現代軍事，2017（4）： 110-112.