淺析3D打印技術(shù)在裝備維修保障方面的應(yīng)用

趙順 張坤 趙萬生

摘 要：隨著3 D打印技術(shù)迅猛發(fā)展，已在建筑、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、國防等各個領(lǐng)域取得豐碩成果，受到世界各國高度重視。3D打印在國防領(lǐng)域的發(fā)展將對未來戰(zhàn)爭產(chǎn)生重要影響，將成為推動軍事工業(yè)供應(yīng)鏈條變革的重要力量。

關(guān)鍵詞：3D 打印技術(shù);裝備維修保障;應(yīng)用

1 3D打印技術(shù)原理與優(yōu)勢

3D打印又稱增材制造，是通過復層疊加方式來制造零件的，首先利用計算的程序?qū)χ萍哪Ｐ瓦M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。目前，比較常見的 3D 打印技術(shù)主要有立體印刷、激光選區(qū)燒結(jié)、激光選區(qū)熔融、三維焊接、熔融沉積成型等。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于裝備維修保障領(lǐng)域，與傳統(tǒng)保障模式相比，具有以下突出優(yōu)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(tǒng)保障模式制造困難、周期長等問題;③精確快速保障，能為戰(zhàn)時應(yīng)急保障節(jié)省大量人力物力和時間成本。

2重塑裝備維修供應(yīng)方式

3D打印具有快速、精確、訂制化、浪費少等優(yōu)點，在裝備維修領(lǐng)域3D打印技術(shù)可用于裝備維修備件和工具的快速制造，打破空間、時間和地域的限制，為軍事后裝保障領(lǐng)域帶來根本性改變。

一是加工簡化，速度驚人。傳統(tǒng)制造工序多而繁雜，工作量大，周期長。3D打印不僅工序簡化，制造過程更是一氣呵成，能夠?qū)崿F(xiàn)武器裝備快速搶修。比如，飛機前端的雙曲面造型主風擋窗框的生產(chǎn)，即使技術(shù)先進的飛機制造公司，傳統(tǒng)制造至少要花費兩年時間，而3D打印卻只需55天，生產(chǎn)周期縮短了12倍。2017年7月，美國橡樹嶺國家實驗室與海軍顛覆性技術(shù)實驗室合作開發(fā)出美軍首個采用3D打印技術(shù)制造的潛艇艇體。該潛艇艇體結(jié)構(gòu)由一種碳纖維復合材料制成，艇體長約9.14米，采用大面積3D打印技術(shù)制造而成。從概念到組裝，整個過程耗時不到4周，這對于未來潛艇的制造具有重要意義，大幅縮短了制造時間。美國海軍計劃2019年打造第二個3D打印船體，并將進行水下測試。

二是工序減少，成本節(jié)省。傳統(tǒng)制造工藝復雜，每道工序要有熟練工人操作，耗費大量工時不說，原材料浪費也十分驚人。通用電氣公司采用3D打印技術(shù)制造發(fā)動機鈦合金零件，使每臺發(fā)動機成本節(jié)省了2.5萬美元。美國生產(chǎn)一架F-22戰(zhàn)機，鈦合金的利用率只有5%。如果是3D打印，材料“按需配給”，原材料利用率可達90%以上，還省去了制模、鑄造、組裝等復雜的工序，節(jié)省大量人力物力，成本降到最低。美國RLM工業(yè)公司利用3D打印技術(shù)制造“愛國者”防空系統(tǒng)齒輪組件，其制造成本由原來采用傳統(tǒng)制造工藝的2-4萬美元降低到1250美元。

三是無需特殊場地，排除空間限制。在位置偏遠的高寒山地地區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施很少的地方，部分裝備損壞后，維修所需的配件無法及時得到補給，影響受損裝備的修復速度。3D打印技術(shù)只要有裝備的設(shè)計圖紙、合適的打印材料以及先進的打印設(shè)備，士兵可以在戰(zhàn)場上按需生產(chǎn)作戰(zhàn)物資，真正實現(xiàn)后裝保障“前置化”。美軍兩次向阿富汗部署了可移動的3D打印方倉，可以將鋁、塑料和鋼材等材料現(xiàn)場生產(chǎn)加工成所需零部件，包括單兵防護裝備和武器零部件。荷蘭國防部也開發(fā)了“AMCOD——國防增材制造集裝箱”，標配CAD工作站和INTAMSYS FUNMAT系列3D打印設(shè)備，可實現(xiàn)無翹曲3D打印，雙噴頭液冷系統(tǒng)，可實現(xiàn)500度的高溫打印。同時，AMCOD里配備了空調(diào)、通風設(shè)備和UPS，以防止發(fā)電機峰值負載波動對3D打印機造成干擾。通過這種方式，在世界各地執(zhí)行任務(wù)的荷蘭海軍陸戰(zhàn)隊不再依賴于復雜的后勤供應(yīng)線。

四是善于復雜制造，按需打印。傳統(tǒng)制造對于曲線、凹槽、凸起、鏤空等結(jié)構(gòu)復雜的產(chǎn)品，需要高精尖設(shè)備和技術(shù)，而3D打印一個極其復雜的特殊產(chǎn)品和打印一個長方體一樣簡單。特別適合打印單件或小批量生產(chǎn)，做到隨要隨打，按需生產(chǎn)。由于3D打印的過程與零部件的復雜程度無關(guān)，是真正的自由制造，這是傳統(tǒng)方法無法比擬的。這一特點格外適合制造復雜的鈦合金結(jié)構(gòu)部件、具有復雜內(nèi)部冷卻通道的航空發(fā)動機渦輪葉片、內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)復雜的坦克裝甲等武器關(guān)鍵零部件，這會極大地降低復雜武器裝備部件的生產(chǎn)成本。

3 3D打印技術(shù)在國防的應(yīng)用前景展望

3D打印雖然具有得天獨厚的優(yōu)勢，但其發(fā)展受獨立制造技術(shù)、可選材料的限制，導致打印的產(chǎn)品種類有限，服務(wù)于國防還不夠廣泛，需要更成熟的技術(shù)支持。

一是軍民融合，提高技術(shù)水平。許多大型武器裝備部分零件是以3D打印技術(shù)制造而成的，這一技術(shù)具有周期短、成本低、省材料、無需鍛造、無需模具等優(yōu)勢，是一項革命性技術(shù)，但因技術(shù)、人才、資金、材料等不足，它還不是一項顛覆性技術(shù)，很難替代傳統(tǒng)的鑄造、液壓等技術(shù)，還不具備在裝備保障中普遍全面推廣的程度。因此，我們應(yīng)進一步深化軍民融合路子，建設(shè)3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，建立常態(tài)化交流合作機制，促進資源共享和互惠互利;建立產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新機制，加強與國內(nèi)外科研機構(gòu)的合作交流，強化技術(shù)標準、專利及創(chuàng)新體系的建設(shè)，提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力;開展前瞻性研究和技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，破解技術(shù)發(fā)展中的各種難題，促進3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，為廣泛應(yīng)用于裝備保障中打下基礎(chǔ)。

二是實踐探索，掌握關(guān)鍵技術(shù)。軍事裝備具有特殊性，軍工企業(yè)要立足部隊列裝的武器裝備，建立完善材料研發(fā)平臺，以聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料、鈦合金等為重點，研發(fā)生產(chǎn)3D打印材料，培育擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料生產(chǎn)技術(shù)，滿足我軍未來戰(zhàn)場裝備保障所需的3D打印材料;針對部隊現(xiàn)有的高新尖端武器裝備，建設(shè)核心部件和裝備研發(fā)平臺，開發(fā)高精度成型工藝核心部件，研發(fā)硬件控制技術(shù)與開放式數(shù)控系統(tǒng)、3D打印及后處理設(shè)備的集成技術(shù)，加快我軍3D打印技術(shù)在信息領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，確保關(guān)鍵核心部件和裝備的集聚發(fā)展;針對信息化條件下武器裝備種類多樣、形狀各異、性價比高等特點，建設(shè)3D建模研發(fā)平臺，研發(fā)3D模型獲取、3D建模技術(shù)與工程仿真、3D打印過程控制等關(guān)鍵技術(shù)，推動3D打印數(shù)字化建模系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新應(yīng)用，搶占未來信息化戰(zhàn)爭中3D技術(shù)的制高點。

三是形成體系，強化競爭優(yōu)勢。目前，3D打印技術(shù)的行業(yè)規(guī)范和標準還沒建立起來，具體的發(fā)展綱要或規(guī)劃也尚未出臺，市場成熟度不夠，競爭力比較脆弱。盡管各地政府和軍工企業(yè)對3D打印技術(shù)極為重視，競相發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，以致分散發(fā)展，無法使3D打印產(chǎn)業(yè)形成聚力發(fā)展的態(tài)勢。因此，3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需進行頂層規(guī)劃設(shè)計，。推動我國由“制造大國”向“制造強國”轉(zhuǎn)變，帶動我軍傳統(tǒng)裝備保障模式向新型裝備保障模式轉(zhuǎn)型升級，促進部隊戰(zhàn)斗力整體躍升。

3D打印盡管受到相關(guān)技術(shù)和打印材料的制約，但它作為一種革命性的制造方法，已在軍事領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，成為推進軍事變革的新生力量。