增材制造技術(shù)（3D打?。?duì)裝備保障的應(yīng)用啟示

劉增勇 吳京朋 關(guān)曉婷

摘 要：介紹增材制造技術(shù)（3D打?。┑幕靖拍睿崂碓摷夹g(shù)在航空裝備、汽車裝備、醫(yī)療裝備和軍事裝備等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，闡述對(duì)裝備保障工作的啟示。

關(guān)鍵詞：增材制造 3D打印 裝備保障

0前言

2021年3月，我國(guó)再次啟動(dòng)三星堆遺址考古挖掘工作，其中，在3號(hào)坑內(nèi)挖掘出迄今為止出土規(guī)模最大的一件青銅器。為了保護(hù)好這件青銅器，考古專家運(yùn)用增材制造技術(shù)，給這件文物穿上了“防護(hù)服”。

文物防護(hù)只是增材制造技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)方面。截止目前，增材制造技術(shù)已在航空裝備、汽車裝備、醫(yī)療裝備等領(lǐng)域展示了重大應(yīng)用價(jià)值和前景。在“2021年增材制造創(chuàng)新發(fā)展論壇”上，專家就表示，我國(guó)增材制造技術(shù)已經(jīng)從萌芽培育邁入了應(yīng)用推廣的新階段。未來(lái)，隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，也必將能成為賦能軍事裝備保障的重要手段。

1基本概述

增材制造技術(shù)，也稱為3D打印，是一種非常高效快速的成型技術(shù)，在3D打印中，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，在“打印”中使用液態(tài)或粉態(tài)的金屬粉以及可塑性高的物質(zhì)等，通過(guò)層建疊加的方式進(jìn)行構(gòu)造[1]。具體來(lái)說(shuō)，是指通過(guò)3D打印機(jī)在設(shè)計(jì)文件指令的引導(dǎo)下，先噴出粉末或液態(tài)物質(zhì)材料，使其形成一平面薄層。第一平面薄層固化后，在第一平面薄層基礎(chǔ)上形成第二平面薄層。第二平面薄層固化后，在第二平面薄層基礎(chǔ)上形成第三平面薄層。循環(huán)往復(fù)，最終將多平面薄層累積成一個(gè)三維物體。

2增材制造技術(shù)（3D打印）的實(shí)際應(yīng)用

2.1航空裝備領(lǐng)域

2017年5月，我國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的大型噴氣式C919客機(jī)首飛成功，其中就搭載了28件增材制造的鈦合金艙門零件。2020年5月，我國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙，其中超大尺寸整體鈦框架就全部采用3D打印工藝制造。2020年7月，長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭搭載“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器成功點(diǎn)火起飛，其中的級(jí)間解鎖裝置保護(hù)板就是通過(guò)采用連續(xù)增材制造系統(tǒng)HT1001P加工而成。

2.2汽車裝備領(lǐng)域

據(jù)統(tǒng)計(jì)，德國(guó)BMW MOtOren Werke AG集團(tuán)使用3D打印超過(guò)27年，期間生產(chǎn)出數(shù)百萬(wàn)個(gè)汽車零部件，儼然已成為增材制造領(lǐng)域的深度玩家。其他跨國(guó)汽車公司也越來(lái)越多地使用3D打印技術(shù)。法國(guó)雷諾公司將增材制造作為其新“Re-FactOry”的重中之重。德國(guó)保時(shí)捷公司與通快機(jī)床制造商和MAHLE汽車零部件公司合作，為其911跑車發(fā)動(dòng)機(jī)提供活塞3D打印。另外，德國(guó)FraunhOfer協(xié)會(huì)的研究人員與美國(guó)Fiat Chrysler AutOmObiles汽車公司合作，為其跑車開發(fā)懸架零部件的3D打印。

2.3醫(yī)療裝備領(lǐng)域

自2020年新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，3D打印為快速生產(chǎn)防疫物資也發(fā)揮了巨大作用，美國(guó)CarbOn工廠每周生產(chǎn)超過(guò)100萬(wàn)支的鼻咽拭子和1.8萬(wàn)個(gè)的防護(hù)面罩;FOrmlabs公司每天生產(chǎn)的檢測(cè)拭子多達(dá)15萬(wàn)支，MKFG公司的生產(chǎn)規(guī)模也擴(kuò)大到了每天10萬(wàn)只;英國(guó)PhOtOcentric公司采用光固化技術(shù)，對(duì)呼吸器兼容閥門進(jìn)行3D打印，每周生產(chǎn)量達(dá)4萬(wàn)個(gè)。另外，法國(guó)巴黎醫(yī)院安裝60臺(tái)F123型3D打印機(jī)，生產(chǎn)用于應(yīng)急救援的各種產(chǎn)品，其中有面罩、口罩、注射泵、插管設(shè)備等。我國(guó)南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院使用的增材制造顱骨產(chǎn)品，不僅可以保證成骨細(xì)胞的正常生長(zhǎng)，還能確保CT、核磁共振等檢查時(shí)不受影響。

2.4軍事裝備領(lǐng)域

任何裝備的研發(fā)與生產(chǎn)，都需要一定的制造工藝，3D打印因受原材料、技術(shù)條件等限制，目前還難以與流水線生產(chǎn)相比較，但因其不需要固定模具，可直接由設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物，實(shí)現(xiàn)零部件的快速打印制造，因此在軍事裝備設(shè)計(jì)，零部件制造，以及技術(shù)保障等方面得到廣泛應(yīng)用，是未來(lái)軍事裝備領(lǐng)域技術(shù)革新的關(guān)鍵。我國(guó)作為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金制造與應(yīng)用的國(guó)家，其殲-15艦載戰(zhàn)斗機(jī)、殲-16多用途戰(zhàn)斗轟炸機(jī)、殲-20隱形戰(zhàn)斗機(jī)及殲-31戰(zhàn)斗機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)均采用了3D打印技術(shù)。

3增材制造技術(shù)（3D打印）對(duì)裝備保障的啟示

3.1質(zhì)效可靠化

國(guó)防大學(xué)軍事后勤與軍事科技裝備教研部教授李大光就曾表示在上世紀(jì)八九十年代，研發(fā)新一代戰(zhàn)斗機(jī)至少要花費(fèi)10-20年時(shí)間，而借助增材制造技術(shù)，最少只需3年時(shí)間。增材制造技術(shù)還可以優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，從而起到減重、增加使用壽命等效果。美國(guó)F16戰(zhàn)機(jī)上使用增材制造的起落架，平均壽命是原始部件的2.5倍;F-22的鈦合金鍛件，如果采用增材制造技術(shù)可減重40%，有效載荷將大大提升。

3.2成本節(jié)約化

在進(jìn)行大規(guī)模維修時(shí)，通常需要進(jìn)行一段時(shí)間的貨源采購(gòu)，導(dǎo)致維修時(shí)間、維修成本的增加[2]。我國(guó)一汽大眾采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的后排吹角風(fēng)道系統(tǒng)，不僅將加工周期由148天縮短至7天，成本也由3.54萬(wàn)元降低至3000元。同樣，該技術(shù)還可以對(duì)已經(jīng)停產(chǎn)的汽車零件進(jìn)行復(fù)刻，降低了購(gòu)買零部件的費(fèi)用，避免了汽車行業(yè)的“壟斷”的現(xiàn)象[3]。

3.3生產(chǎn)多樣化

增材制造技術(shù)，可以采用多種材料打印一種零部件，從而達(dá)到耐腐蝕、耐磨損、高強(qiáng)度等特性，重量也可以很輕。還可以把金屬、陶瓷等復(fù)合在一起，具有金屬陶瓷的雙重特性。同樣也可以開發(fā)很多新的合金，按照以往的合金方法，整個(gè)冶煉過(guò)程的代價(jià)高、周期長(zhǎng)，而增材制造技術(shù)用粉狀材料就可以解決問(wèn)題，快速形成多種合金。

3.4儲(chǔ)備經(jīng)濟(jì)化

增材制造技術(shù)將使保障部門極大地實(shí)現(xiàn)去庫(kù)存化，推動(dòng)優(yōu)化新的供應(yīng)儲(chǔ)備效率。以往大約有30%的成本在器材倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)中。節(jié)約庫(kù)存和倉(cāng)儲(chǔ)成本，是追求器材通過(guò)增材制造來(lái)實(shí)現(xiàn)的重要推動(dòng)力。減少材料浪費(fèi)，減少?gòu)U舊器材，增材制造技術(shù)將從供應(yīng)儲(chǔ)備角度為可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)新的空間。

4結(jié)束語(yǔ)

盡管目前的增材制造技術(shù)（3D打?。┻€只是初露鋒芒，也無(wú)法達(dá)到整裝制造的技術(shù)成熟度，但可以肯定的是，隨著增材制造技術(shù)（3D打?。┑娜諠u發(fā)展和在軍事領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，必將有力推動(dòng)裝備保障的變革創(chuàng)新[4]。展望未來(lái)，增材制造技術(shù)（3D打印）將作為未來(lái)制造生產(chǎn)業(yè)不可或缺的手段，對(duì)裝備保障工作帶來(lái)源源不斷的推動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]曾慶吉.3D打印技術(shù)在汽車制造與維修領(lǐng)域應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018.

[2]趙毓鋒.汽車維修中3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究[J].時(shí)代汽車，2018.

[3]焦可如，鑫龍.3D打印技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2018.

[4]楊純燕，封會(huì)娟，李慧梅，楊英杰，周慧.3D打印技術(shù)在裝備維修保障的應(yīng)用及展望[J].機(jī)床與液壓，2020.