面向船用維修保障的快速成型技術及裝備設計

羅恒

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

艦船裝備保障的現有方式基本上是以換新為主。然而，當艦船遠離基地執勤時，現有保障方式便顯得難以為繼，經常會出現所攜帶的備件無法使用或者有用備件沒有攜帶的情況。一旦如此，唯有通過周轉途徑從國內或基地調運，但需要的周期較長，尤其是在戰時，戰機可能稍縱即逝，從而嚴重影響艦船的作戰能力。可見，現有應急保障能力尚不能完全滿足艦船裝備出現突發故障時的維修要求。增材制造（additive manufacturing，AM）也稱3D打印，是一種采用數字化建模、數字化制造的快速成型技術，適用于艦船遠洋執勤條件下快速制造和維修（rapid manufacturing and repairing,RMR）受損裝備零件的需要，可快速恢復裝備零件的使役性，對于高科技條件下的戰爭具有重要意義。

基于船用的快速成型修復技術及其裝備，可以充分發揮先進制造技術的優勢，克服傳統保障方式及裝備制造方面的不足，在船舶建造、維修保障領域的應用前景廣闊[1-3]，所以對該技術的應用研究尤顯重要。鑒于此，國外先進國家已在大力支持和推廣RMR技術及其裝備的研發應用。例如，美國海軍水下戰中心（NUWC）通過實施RMR計劃，運用增材制造工藝生產UH-60通用直升機的門把手并獲得成功，為此節省了140萬美元的制造成本；2011年，美國陸軍將3D打印移動實驗室（基于MPH平臺系統）在阿富汗投入實戰應用，用于為士兵現場制造工具及其他設備；2013年10月，歐洲航天局啟動了總額2 000萬歐元、以零浪費和高科技金屬產品有效生產為目標的研發應用項目；2017年，美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)與辛辛那提公司聯合研制的巨型FDM 3D打印機制造出了美海軍首例小型無人潛航器（艇長不到10 m）的殼體[4-8]。

我國在RMR技術研究應用領域也獲得了一批重要研究成果。例如，陸軍裝甲兵學院在項目支持下獲得了很好的技術積累，西安交通大學、西北工業大學、華中科技大學和海軍工程大學等也做了大量研究，西安交通大學的“十二五”預研成果還參加了第2屆軍民融合成果展[9-10]。然而，現階段利用RMR技術制造修復艦船裝備的金屬零件仍處于研究、試用和評估階段，距離裝備零件按需維修保障的要求尚存在較大差距。

因此，為了滿足我國遠海、遠洋或戰時應急條件下艦船裝備保障的需求，提升作戰和維修保障能力，實現損傷零件現場“壞中修好”以及實戰條件下艦船編隊裝備備件的伴隨保障[11]，本文將針對現有裝備保障模式，開展研究設計船用快速成型修復技術及裝備。

根據現有艦船裝備維修保障現狀，本文擬提出艦船裝備的快速成型裝備集成技術，針對裝備可數值化的模型管理及其存儲數據，研究損傷區域高適應性快速三維建模及零件數據庫技術；基于船用裝備的材質設計制備相應材料，開展艦用環境下快速成型修復的形性協同調控、移動式快速成型裝備集成和艦船裝備零件修復后處理等關鍵技術研究，以研制出高適應性、可快速組配的移動式快速成型裝備。

1 快速成型技術及其流程

1.1 快速成型技術

快速成型（rapid prototyping，RP）也稱增材制造，是CAD直接驅動的快速制造任意復雜形狀的三維物理實體的技術總稱，也是“十大顛覆性技術”之一，被譽為將帶來“第三次工業革命”的技術。快速成型技術可以快速打印以及按需制造零件，已成功并被廣泛應用于各個領域[12]。該技術采用離散/堆積成型的原理，由計算機三維立體模型（或稱CAD實體模型）經過單一加工過程快速制造出形狀結構復雜的實體模型。圖1所示為采用快速成型技術的基本過程。其中，前3個階段為通過計算機中信息處理的分解過程，后3個階段為成型設備中堆積成型的組合過程。

圖 1 快速成型的基本過程Fig.1 Basic process of rapid prototyping

鑒于增材制造所具備的高度柔性及快速性的特點極為符合現代化戰爭條件下對快速精準保障能力的要求，因此在軍用制造領域，增材制造技術應用受到了各國高度重視。美國已將快速成型技術成功應用于軍工制造，研制出了可供戰場使用的高柔性現場零件制造系統。我國也早就對快速成型技術進行了深入研究，取得了一批重要研究成果，實現了損傷零件現場“壞中修好”的目標。然而，總體而言，該技術在裝備保障領域的研究應用尚處于初級階段。

1.2 研究思路及方案

快速成型技術既適合于鈦合金等高溫損傷零件的快速修復，也適合于未來戰爭中裝備維修保障的快速反應，以及高附加值零件再制造的要求。根據艦船裝備維修保障的具體需求，本文梳理了艦船及其裝備特點，基于硬件、軟件、工藝和材料需求，進一步細化研究內容，制定了詳細的研究路線，擬定出了修復應用并評價修復結果的具體思路及方案[3]，如圖2所示。

由圖可見：在艦船設計階段，設計師需要考慮成型技術裝備所需要的氣源，例如氮氣（N2），機修間可儲備常規的Cr，Ni，Mo，Ti，Al，Fe等金屬粉末，以便根據不同材質的金屬零件配置相應的材料粉末來快速成型制造。因此，為了實現快速成型制造所需的氮氣氣源，設計艦船時需要將氮氣氣瓶室和壓縮機室引入氮氣管路至底艙的動力艙室，并留有調節閥和管路接口；在機爐艙冷卻水管路中，應留有冷卻水調節閥和管路接口，以便為快速成型制造提供具有一定流量的冷卻水。此外，在機爐艙還需留有液壓管接口及閥門，以方便專用機械液壓伸縮式裝置的使用。

圖 2 總體研究方案框圖Fig.2 Block diagram of the overall research plan

2 快速成型裝備集成技術研究

2.1 高適應性、可快速組配的移動式快速成型裝備研究

1） 針對艦船特點設計可適用的成型修復設備。

圖 3 常規艙室艙門尺寸Fig.3 Door size of regular cabin

艦船常規艙門的尺寸為650 mm×1 650 mm，如圖3所示。艦船底部艙室的管路及設備繁多，安裝布置密集，維修空間狹小；修復設備及損傷件時在艙室的層與層間搬運困難，對于不易拆卸的裝備零件，急需現場原位修復；快速成型修復裝備一般采用機械臂來修復，但因體積及重量的原因，機械臂無法整體進入現場，零件損傷無法現場修理。考慮到巡航時零件修復送粉和保護氣源的問題，為便于設備運輸及移動，本文所述快速成型裝備采用了高適應性、可快速組配的移動式裝備設計方案，克服了傳統成型修復設備的缺點，解決了實船空間有限、搬運不便、海況環境復雜等諸多問題。該成型設備主要組成模塊包括載能束系統模塊、可拆卸三軸運動機構模塊、電控箱（1 200 mm×800 mm×600 mm，重45 kg，功率20 kW）、工控機（型號MXE-5500HJ，230 mm×204 mm×90 mm，重4 kg）、送粉器（送粉管連接激光打印頭）、冷卻模塊和制氮機（大部分艦船上都有冷卻水和氮氣，若有可不需此設備），以及粉塵收集系統模塊（根據現場實際情況，尺寸及重量不同）等。

2） 快速拆裝成型設備結構設計。

采用可拆卸三軸運動機構方案，各運動單元間由快速定位及便于拆裝的連接裝置固定。其中，x軸端部安裝電磁吸盤，以使運動機構固定于艙壁上；y軸采用水平安裝，折疊后y軸與x軸朝向一致，折疊機構直接采用“十字轉接板+中心轉軸”來實現。建立基于普通士兵為操作對象的快速成型修復裝備的拆卸、搬運、組裝的操作規范。圖4所示為結構及機構方案。

圖 4 可拆卸三軸運動機構方案Fig.4 Removable three-axis motion scheme

3） 采用氮氣送粉實現快速成型修復。

快速成型修復需要送粉及保護氣源，但在巡航應用場景下，艦船無法攜帶大量惰性氣體，難以滿足零件的快速成型修復需求。另外，艦船上也不具備實驗室或工業生產的條件，無法生產惰性氣體。因此，本文在設計方案時即采用制氮機制備氮氣作為送粉及保護氣源，以進行零件的快速成型修復。

4） 艦船裝備零件現場多頭更換技術研究。

由于艦船內部空間有限且狹小，上下艙室多數沒有電梯可用，機械臂設備重量大且無法分拆固定，所以采用了直線運動單元的快拆方法。根據零件修復需求修改裝備可拆裝組合，實現現場修復。在修改過程中，不同零件的材質需要選擇不同的工藝；零件主要以鋼質及鋁合金材料為主，根據材料的不同，修復零件時可選用激光打印頭或者弧焊打印頭；根據不同的零件精度要求選擇不同的后處理工具頭。圖5所示為研發的一套可裝多個工作頭的方法，解決了一套運動機構適用于多個打印頭的問題。

圖 5 多頭快速更換示意圖Fig.5 Schematic diagram of quick replacement of multiple print heads

5） 粉塵收集系統模塊的開發。

艦船大型零件在線修復過程中產生的粉塵、碎屑飛濺會對零件裝備總成造成污染，影響零件裝備總成功能。根據流體力學原理，采用有限元方法對多種常見工況下在線快速成型修復時粉塵的流動過程進行數值模擬，以獲得的粉塵流場數據為設計基礎，開發零件在線修復的粉塵收集系統模塊。

2.2 損傷區域高適應性快速三維建模及零件數據庫研究

1） 損傷區域高適應性快速三維建模技術。

為了給3D打印提供精確的CAD三維數模，研究便攜式高精度光學探針掃描技術、高精度相機標定技術和高效準確的三維點云掃描技術，獲得修補前、后零件表面三維密集點云，并對多次掃描的點云進行了融合、采樣/精簡、降噪等優化處理，最終得到零件的CAD三維數模，用于3D打印修補零件或零件修補后的質量檢測，如圖6所示。

2） 破損件缺損區域數字模型提取方法研究。

研究中，將CAD參數化模型轉換為三角網格模型并盡可能降低變形誤差。首先，采用“離散細分-優化調整”的方法，將CAD參數化模型離散為局部面片集合；然后，通過邊細分、邊交換等幾何處理操作，生成初始三角網格模型；最后，通過調整初始網格的頂點位置，使轉換后的CAD網格與CAD參數化模型盡可能接近，從而降低轉換變形誤差。

圖 6 測量方案及流程Fig.6 Measurement plan and process

利用三角網格布爾求差算法提取缺損區域的數字模型，對已對齊好的2個網格進行布爾求差操作，然后從CAD網格上提取出缺損區域的數字化模型[13]，如圖7所示。

圖 7 布爾求差示意圖Fig.7 Schematic diagram of Boolean difference operation

3） 開發面向艦船裝備的快速成型修復系統專用軟件。

針對修復裝備軟件集成的要求，開發包容性軟件平臺。采用統計平臺界面，規范軟件使用流程，將數據庫軟件、測量軟件、模型重構軟件、激光增材修復控制軟件集成到統一平臺。構建軟件之間的調用通道，使軟件之間無縫銜接。

面向艦船裝備快速成型修復系統專用軟件的主要功能包括：對四軸模塊系統的運動控制、功能模塊信號控制、對標準三維模型的切片、掃描線自動生成、缺損模型與待修零件坐標轉換等。

2.3 快速成型修復控形控性技術研究

鑒于在艦船上采用激光修復時提供給快速成型修復設備的保護用惰性氣體氣源得不到充分保障，開展如下研究：根據4級海況下艦上修復需要，研究不同氣氛保護時修復材料的力學性能，采用在氮氣送粉、無惰性氣體保護條件下修復成型，使力學性能滿足修復要求；采用小型工業制氮機生成氮氣作為送粉氣源，研究在海況條件下成型修復的效率，滿足艦用精度的要求；針對修復污染的待修面的開裂問題，采用高功率激光對修復的前幾層進行熔覆，有助于抑制結合面開裂。具體工藝框圖如圖8 所示。

圖 8 成型工藝研究圖Fig.8 Research chart of prototyping process

1） 海況條件下快速成型修復控形技術研究。

由于4級海況條件下艦上修復環境復雜，修復設備必須能夠在4級海況（有義波高1.25～2.50 m，風級5～7級，平均風速8.0～17.1 m/s，突風風速17～26 m/s）下正常工作，能夠承受現場的沖擊、搖擺、振動等因素的影響。但是，4級海況下的快速成型修復與靜態下的修復存在明顯差異，因此需要開展相關的仿真模擬及實驗。

圖9所示為某實驗室配備的傾斜搖擺臺裝置。實驗中，將修復裝備置于傾斜搖擺臺上，按真實的海況搖擺設定參數，使傾斜搖擺臺處于位姿模擬、正弦波模擬、單自由度運動、多自由度復合運動的狀態，然后在此環境下，對損傷件進行快速成型修復。為了獲得在真實海況下對增材制造修復工藝的影響，開展了海況條件下的快速成型修復控形技術研究，通過不斷優化成型工藝及參數，改進快速成型設備，使之與海況條件下的復雜環境相匹配，最終滿足了上艦要求。

圖 9 傾斜搖擺臺圖Fig.9 Tilting and swaying bench

2） 海況環境因素對快速成型修復零件力學性能的影響。

我國海域跨度大，海洋環境極為復雜，不同海域的濕度、鹽度、溫度和海況也不盡相同。因此，采用了實驗方法來獲得不同濕度、鹽霧、溫度等環境因素下快速成型修復零件的組織與力學性能，研究了不同環境因素對快速成型修復零件的組織及力學性能的影響，為不同環境因素下的快速成型修復提供了實驗基礎。由于在復雜海洋環境下不同海浪導致的船舶擺動、顛簸有所不同，這些因素對成型零件的力學和精度影響存在差異，所以需要研究海況環境因素對快速成型修復零件組織及力學性能的影響。圖10所示為最終建立的濕度、鹽霧、溫度、海況環境條件下激光快速成型修復規范體系。

圖 10 海況環境因素工藝研究方法Fig.10 Process research methods under sea conditions and environmental factors

3 艦船裝備零件修復后處理技術與方法

根據艦船裝備零件結構特點及戰場環境要求，定制一臺在有限的空間中具有車、銑、鉆、鏜削等功能的快速成型修復裝備，完成后，需對后序處理的零件尺寸（長×寬×高）≤5 m×5 m×1 m）進行加工。例如，針對齒輪類零件的快速后處理，可采用指狀銑刀對修復過的齒輪進行后處理，能快速完成增材修復過的齒輪整形，并提高齒面質量。在對3D打印成型的零件進行后續加工時，可根據不同零件的待處理余量來優化加工工藝，通過工序集中的方案完成后續加工，最終達到零件的使用精度要求。

制定艦船零件修復規范，簡化修復流程。針對艦船裝備零件的海上現場搶修，首先，掃描損壞的零件，通過點云處理，反求出破損零件的三維模型； 然后，采用破損模型與設計模型進行布爾求差運算，解算出缺損模型； 最后，采用激光增材修復系統設備對缺損零件的缺損部位進行修復。為提高修復效率，需制定修復流程操作規范，減小或壓縮流程冗余量（從數據提取到計算，再到快速成型工藝規范）。此外，對于零件的后處理及性能評價驗證，均需建立合理的流程規范來引導使用者使用，并制定簡單易懂適合船員使用的移動式快速成型修復裝備使用規范[3,11,14]。

4 應用場景

船舶軸系是船舶動力裝置中必不可少的重要部件，其組成部分的可靠性將直接影響整個軸系的使用，一旦損壞，會給艦船的航行和作戰性能帶來不良后果。

場景1：如圖11所示的某特大型艦船軸系中間軸出現磨損情況，導致軸系出現了較為強烈的振動，影響了軸系性能。然而，軸系在船上無法拆卸，需要現場修復。修復時，將激光器和冷水機放置在機修間，通過光纖和冷卻水管連接的運動模塊和激光打印頭則放置在動力艙室，并在修復部位周邊裝好粉塵收集模塊，隨后即可直接進行快速成型修復。

圖 11 某特大型艦船軸承損壞圖Fig.11 Pictures of ship bearing damage for an extra large ship

場景2：齒輪在船舶裝備中起著至關重要的作用，是重要的零件。例如，某船的齒輪由于長時間運動，齒輪中掉進了碎物，導致齒輪磨損，嚴重影響了裝備的運轉。圖12所示為損壞齒輪在成型裝備下直接成型的具體過程。

圖 12 某船齒輪修復成型過程圖Fig.12 Pictures of ship gear repair and shaping

上述軸系和齒輪的材料分別為38Cr2Ni2Mo及17CrNiMo6合金鋼，根據零件材質及工藝要求，相應配置好合適比例的材料，通過掃描得到受損零件的三維數據，導入成型機中構件所缺損部位的模型數據，從而完成缺損零件成型修復，使成型零件的機械性能和精度滿足設備要求。

5 結 論

本文針對可快速組配的移動式快速成型裝備，從成型技術、軟件、工藝及修復后處理技術等方面，對艦船用快速成型修復技術及裝備進行了研究，得到以下主要結論：

1） 針對艦船裝備艙室維修空間狹小、零部件不易拆卸、裝備層與層間上下困難的問題，提出設備運動機構可快速拆分、組合的設計方法，提出在可快拆組配、電磁吸附或機械液壓伸縮式裝置固定的修復裝備，有助于解決零件在線修復以及修復裝備的多層間上下困難等問題。

2） 艦船隨行氣體有限，采用氬氣保護不可持續。為解決遠洋成型或修復的可持續性問題，提出可采用氮氣作為保護氣可對修復件進行修復，從而能減少對氬氣資源的依賴，實現遠洋艦船在線增材制造修復的可持續性。

3） 在傳統的機械臂快速成型修復方法中，因機械臂的重量大，無法在艙室之間搬運，且尺寸也超過了艙室門的尺寸，提出可拆卸快速組配的修復技術裝備，有利于突破現有修復裝置的模式，便于攜帶和原位組裝，適用于在狹窄的艙室環境下原位修復零件。

4） 本文提出的粉塵收集系統模塊，有助于避免原位修復中粉塵對待修零件裝備總成的污染。通過對復雜海況下修復裝備的研究及實驗，經快速成型修復工藝修復后的零件精度及機械性均能滿足艦用要求。

本文提出的可快速組配的移動式快速成形裝備還處于研究之中，需結合實船工程應用開展深入研究和相關試驗；航行中船舶的振動搖擺對成形制造影響較大，裝備上艦，還需在實驗室的傾斜搖擺臺上模擬實船環境條件，對成形零部件的工藝進行專門研究，化解裝備風險，提高成形制件精度及機械性能，為該裝備上船提供一定的應用基礎和條件。