增材制造技術在海軍裝備戰場維修保障中的應用

黎杰 涂杰

增材制造技術又稱為3D打印技術，是建立在材料科學、技術及智能制造技術之上的一種三維快速自由成型的新型制造技術，是一種材料累加的加工制造方法，尤其適合于單件或小批量零件的快速制造。這一特性使得增材制造技術尤其適合于遠離母基地的戰場環境下，對作戰裝備個別或少量損壞零件的快速維修與現場制造，適應現代戰爭“四快”：快速響應、快速制造、快速修復、快速恢復戰斗力的新要求。

1 增材制造技術發展現狀

最近5～10年，增材制造的發展尤為迅速。工藝類型上，立體光固化、材料噴射、粘結劑噴射、粉末床熔融、材料擠出、定向能量沉積、薄材疊層、選擇性隔離燒結等增材制造工藝和技術的突破，讓增材制造技術在各行業領域中的應用成為可能；材料上，隨著可用于增材制造技術的各類材料的不斷增多，特別是一些高性能合金材料、陶瓷材料、新型高分子復合材料、生物活性材料等專用材料的出現，讓增材制造技術的應用范圍大大增加；裝備性能上，出現一批超小型、超高速、超精度的增材制造設備，桌面級的FDM、復合材料、金屬材料增材制造設備的出現，極大地擴展了應用場景；產品質量上，增材制造直接制造出的產品性能質量快速提升，多種工藝的增材制造產品已經能夠直接在工況使用，如GE公司LEAP使用增材制造技術生產的航空發動機燃油噴嘴，國產大飛機C919中增材制造艙門復雜件的強度、耐用度等力學性能相對于原有鑄件都明顯提升，并且在制造成本、周期、重量等方面也取得了顯著效益。

2 增材制造技術在海軍裝備戰場維修應用中的技術優勢

2.1快速響應，能有效解決遠離母港艦艇的維修需求

借助增材制造設備，作戰艦艇可以直接在艦艇上即時生產各種零部件，增材制造生產零部件的時間通常在數小時到數十小時之間，速度效率上遠勝于耗時耗力依托后方護航補給運送物資。海軍112艦在亞丁灣護航期間，曾遭遇主機軸承斷裂，借助艦艇上的增材制造方艙，快速地制造了一個同規格的軸承零件，化解了險情，可見增材制造的快速響應對艦艇的快速維修價值巨大。

2.2數字化設備操作簡單，易于作戰人員操作使用

不同于傳統機床，增材制造設備是一種全數字化的制造設備，只需導入零部件的3D設計數據，即可自動完成零部件的生產。因此，只需在艦艇的計算機上部署虛擬數字化備件模型庫，作戰人員即可按需選擇零部件模型數據，導入增材制造設備進行快速加工制造，對作戰人員的制造專業技能要求相對較低。對于一些服役時間較長的老舊裝備，增材制造設備更是可以依托數字化零件模型庫，生產出已經停產的零件備件，滿足老舊裝備的維護需求。同時伴隨增材制造設備小型化和工藝多樣化發展趨勢，其更加適合部署在艦艇上使用。

2.3原料易于搬運存儲，尤為適合寸土寸金的海軍艦艇

增材制造設備只要有相應的3D設計數據和原材料，任何結構的零部件都可以生產制造。增材制造的原材料多為線材、粉材、液體材料等，占地面積小易于存儲，如此艦艇上傳統的成品備件倉庫將逐漸淡出，取而代之是占地面積更小與制造靈活性更強的增材制造方艙、3D設計模型數據庫與增材制造原料庫。

3增材制造技術在海軍裝備戰場維修保障中應用

歐美國家海軍高度重視增材制造技術應用。早在2013年，美國海軍向政府裝備制造商提供技術數據包，支持他們利用增材制造技術制造艦艇裝備零件，包括艦艇炮塔組件、炮管和炮尾等。隨著增材制造技術快速發展，美國海軍發現增材制造技術在艦艇關鍵部件維修保障領域具有良好的應用潛力，因此逐步為艦艇裝備了增材制造方艙，以支持對戰損裝備的快速維修保養。

我國在增材制造技術修復應用方面也取得不少技術成果，西安交通大學、裝甲兵工程學院、哈爾濱工程大學、海軍工程大學等單位都在增材制造修復領域做出了大量研究，其中，西安交通大學與華中科技大學聯合研制了“戰場環境增材制造維修保障系統”。該維修保障系統具備裝備數字模型庫、逆向掃描、打印修復等功能，能夠在極短的時間內對戰場受損武器裝備進行快速打印或修復，恢復武器裝備的戰斗力。

4典型增材制造戰場維修保障系統構成

武器裝備種類繁多，裝備的零部件材質、類型和數量更是巨大，而海軍艦艇上空間極為有限，大量零部件備件庫存對艦艇而言是巨大的負擔。通過增材制造維修保障系統，可直接使用武器裝備零部件的設計數據進行快速制造，而無需占用場地的物理庫存，因此首先需配置武器裝備的數字化零部件模型庫以服務于戰時維修保障需求。

對于損壞零件的修復，需對其進行3D逆向掃描，將損壞部位數字化，解算出需要增材制造進行修復的結構，故3D逆向掃描模塊是增材制造維修保障系統的必備模塊。另外，武器裝備戰損形式繁多，用標準的工具與工裝很難滿足全面的戰場裝備維修需求，而配置的3D正向建模軟件模塊，可與根據實際戰損情況，設計針對性的工具結構提高維修效率。3D正向建模軟件對使用人員技能要求較高，且武器裝備材料類型多樣，采用一種增材制造方式無法滿足戰場裝備應急強求的需求，因此需配置高分子材料增材制造模塊與金屬材料增材制造模塊這兩種主流材料的增材制造工藝。增材制造技術一般需配備簡易的后處理模塊，以移除支撐材料，并對關鍵表面進行精細加工，因此需配置增材制造后處理模塊。以上六大主要的構成模塊集成度高、模塊化程度高、適用范圍廣等特點，可廣泛應用于各個型號裝備的戰場應急搶修。

5增材制造技術在海軍裝備應急維修領域的未來應用方向

相較于傳統的制造方式，增材制造技術具備輕量化、全數字化、適用范圍廣等優點，尤其適合于遠洋艦隊的裝備維修保障，可實現真正意義上的遠海航行伴隨保證。尤其是在我海軍海外保障基地欠缺的當下，其發揮的作用尤為顯著。此外，增材制造技術還可部署于南海諸多的島礁基地，能大幅提高遠離母基地的裝備維修效率和出勤率。充分利用信息化、智能化的技術發展，提高增材制造技術軟件系統的集成化、自動化、智能化，可以顯著提高海軍裝備應急維修的響應程度；增材制作系統和設備小型化、便攜化的發展，可以更好地適應野外戰場環境對于武器裝備修復快速、精準的保障要求；提高增材制作技術的材料豐富性、先進性以及打印精度，可以有效滿足海軍裝備零部件多樣性的需求。總之，根據目前海軍裝備損傷零部件快速精準修復的要求，增材制作技術必將具有更為廣泛的應用和發展前景。

6結語

高效的后勤保障是現代戰爭勝負的關鍵因素，如何有效提高未來戰爭中海軍裝備的戰場快速修復保障能力，是我海軍必須面對的問題。增材制造技術作為一種新的手段，值得深入研究，并在日常訓練、遠海航行中加以實踐驗證，提高我海軍的保障能力。

參考文獻：

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（作者簡介：黎杰，中國人民解放軍92246部隊，碩士研究生，助理工程師；涂杰，中國人民解放軍92246部隊，工程師）