3D打印技術(shù)在裝備制造及維修保障領(lǐng)域的應(yīng)用研究

陳振濤 張明悅 郝龍飛 韓茂棟 趙海旭

摘 要：近年來3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在成型單件小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件上顯示出獨(dú)特優(yōu)勢。3D打印技術(shù)在武器裝備 領(lǐng)域的成功實(shí)踐，為戰(zhàn)場裝備快速維修保障提供技術(shù)支撐。針對3D打印在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析目前戰(zhàn)場裝備維 修存在的問題以及3D打印應(yīng)用于戰(zhàn)場裝備快速維修的軍事需求。結(jié)合3D打印工藝特點(diǎn)及戰(zhàn)場搶修及時(shí)性的要求，闡 述3D打印應(yīng)用于裝備快速維修的關(guān)鍵技術(shù)，為3D打印技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)場裝備快速維修保障提供新思路。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);裝備維修;

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，是制造業(yè)領(lǐng)域一 門新興技術(shù)，近年來獲得了迅速發(fā)展。根據(jù)沃勒斯 2015 年度報(bào)告（Wohlers Report 2015）顯示，在過去 26 年里，全球增材制造所有產(chǎn)品和服務(wù)收入的年復(fù)合增長率高達(dá)27.3%，2014年增長率達(dá)35.2% ，2015年全 球收入總額達(dá)51.65億美元，且每年以兩位數(shù)的速度增 長。目前，3D 打印已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑、醫(yī)療、武器裝備等領(lǐng)域，尤其在個(gè)性化定制和快速 生產(chǎn)領(lǐng)域顯示出巨大潛力。

信息化戰(zhàn)爭條件下，武器裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，裝備的快速維修保障日益成為影響部隊(duì)作戰(zhàn)能力的重要因素 。傳統(tǒng)的戰(zhàn)場裝備維修保障方式很難適應(yīng)快節(jié)奏的高技術(shù)戰(zhàn)爭。信息化主導(dǎo)下的高技術(shù)戰(zhàn)爭，為3D打印技術(shù)在武器裝備維修的應(yīng)用提供了良好契機(jī)， 美軍在第3次“抵消戰(zhàn)略”中明確將其列為重要發(fā)展方向。2016年美國國防部發(fā)布《增材制造路線圖》，該路 線圖由美國陸?？杖姾秃笄诰秩虆⑴c，主要面向 維修與保障、部署與遠(yuǎn)征、新部件/系統(tǒng) 3 個(gè)內(nèi)容。日益成熟的3D打印技術(shù)將給戰(zhàn)場裝備維修保障帶來革命性的變化 。

在裝備制造和保障中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在航空航天、汽車、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域積極引進(jìn)3D 打印技術(shù)，尤其是軍事領(lǐng)域，使武器裝備研制周期、加 工時(shí)間明顯縮短、材料使用率顯著提高。 我國西北工業(yè)大學(xué)利用激光立體成形技術(shù)制造 C919 的中央翼緣條，最大制造尺寸達(dá) 2.83 m，最大變形量<1 mm，填補(bǔ)了我國無法制作大型鈦合金結(jié)構(gòu)件 的空白。北京航空航天大學(xué)利用激光 快速成形技術(shù)制造的鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框，使我 國成為唯一掌握3D打印技術(shù)制造飛機(jī)大型主承力構(gòu) 件且裝機(jī)工程應(yīng)用的國家， 美國國家航空航天局（NASA）將激光燒結(jié)技術(shù)制 造的零部件成功應(yīng)用于 L-2X 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上，這種形狀復(fù)雜、小體積零件的制造顯示了3D打印區(qū)別于傳統(tǒng) 加工技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢。美國通用電氣（GE）運(yùn)用SLM將原本18個(gè)零件組成的 Leap-X 發(fā)動(dòng)機(jī)離心式燃油噴嘴一體化成型為 1 個(gè)鎳 鈷合金3D打印零件，省去繁雜的組裝過程，其質(zhì)量減輕25%，且耐用性提高了5倍。

2013 年歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）通過結(jié)構(gòu)優(yōu) 化，取代鑄鋼零件，利用激光燒結(jié)鈦合金制造空客 A320 機(jī)艙鉸鏈支架，節(jié)約材料達(dá) 75%。2016 年，法國Thales Alenia宇航公司與Poly Shape公司合作 利用粉末床激光熔融技術(shù)為韓國制造通信衛(wèi)星支撐結(jié) 構(gòu)件，3D打印的AlSi7Mg合金支撐結(jié)構(gòu)件比通 常使用的鋁合金零件更輕，質(zhì)量減輕 22%，成本節(jié)約 30%，生產(chǎn)周期縮短1～2個(gè)月。 2013 年，美國 Solid Concept 公司以經(jīng)典的 M1911 手槍為原型，利用激光燒結(jié)技術(shù)打造了世界上第1把2013年，一艘利用增材制造技術(shù)制作的海軍醫(yī)院 船模型（T-AH20）在美國海軍水面作戰(zhàn)中心（NSWC） 誕生，該船用于測量風(fēng)力和氣流。由于使用3D打印技 術(shù)，這艘結(jié)構(gòu)復(fù)雜的船模得以免去裝配過程，從而大大 縮短了加工時(shí)間，德國InssTek公司使 用Grand Teton 3D打印機(jī)，利用專有的DMT 技術(shù)為韓國空軍成功完成了 F-15K 戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩 和鈷合金空氣密封件的修復(fù)工作，該方法制造的零件 加工時(shí)間短，完全滿足安全性、可靠性等使用要求。 2016 年，以色列空軍維修單位（AMU）利用 3D 打印技 術(shù)，制造強(qiáng)度相當(dāng)于鋁的塑料聚合物零部件修復(fù)老舊 的 F-15 戰(zhàn)斗機(jī)，使翻新后的飛機(jī)恢復(fù)戰(zhàn)斗力。2016 年，美國Lockheed Martin公司用3D打印技術(shù)制造的連 接器底殼部件成功應(yīng)用于美海軍三叉戟ⅡD5導(dǎo)彈中，該鋁合金零部件制造時(shí)間是傳統(tǒng)制造時(shí)間的一半，大 大縮短了加工制作周期。美國 Texas 大學(xué)通過對Inconel625超合金和Ti-6Al-4V直接激光燒結(jié) 制造出F-14戰(zhàn)斗機(jī)和AIM-9導(dǎo)彈的零部件，用于裝備 F14戰(zhàn)機(jī)機(jī)翼，金屬3D打印最大零件的 尺寸為5.8 m×1.2 m×1.2 m。 3D打印技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用與其優(yōu)越性息息相關(guān)，具有的優(yōu)點(diǎn)包括：金屬打印零件的綜合性能優(yōu)異;復(fù)雜零件的制造工藝流程較傳統(tǒng)工藝大大縮短;無模具快速自由成型，制造周期短;小批 量零件的生產(chǎn)成本低;零件近凈成型，機(jī)加工余量小， 材料利用率高;可實(shí)現(xiàn)多種金屬材料的任意復(fù)合制 造。3D打印技術(shù)，特別是金屬3D打印技術(shù)的日益成 熟，為其應(yīng)用于武器裝備的快速維修保障奠定了良好 的基礎(chǔ)，世界主要軍事大國紛紛積極探索3D打印技術(shù) 應(yīng)用于戰(zhàn)場裝備的快速維修保障

2 用于裝備快速維修保障的需求分析

武器裝備是遂行戰(zhàn)場作戰(zhàn)任務(wù)的重要工具，是取 得戰(zhàn)爭勝利的重要因素?，F(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭進(jìn)程快、裝 備多，快速性是現(xiàn)代戰(zhàn)爭對戰(zhàn)場搶修的基本要求。面 對精確打擊武器的威脅，武器裝備損傷的比例明顯增 大，戰(zhàn)場環(huán)境、維修條件、戰(zhàn)場故障的偶發(fā)性使戰(zhàn)場搶 修任務(wù)極為復(fù)雜嚴(yán)峻。對戰(zhàn)損武器裝備進(jìn)行戰(zhàn)場快速 維修，使其快速重新投入戰(zhàn)場是一個(gè)不容忽視的問題。 然而，目前戰(zhàn)場裝備維修保障仍然存在諸多不足。

1）備件大量冗余。新型裝備往往有種類繁多的零 部件，在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境下，為保證戰(zhàn)損的零部件 能夠得到及時(shí)更換，后勤保障不得不攜帶種類眾多、數(shù) 量龐大甚至不會用到的備用零件。這種維修保障模式 給后勤保障工作帶來很大壓力，對后勤保障資源造成 極大的浪費(fèi)。

2）突發(fā)保障不足。復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下，誘發(fā)裝備 零件損壞的因素千變?nèi)f化，戰(zhàn)損的不確定性使零件的 損壞難以預(yù)測。武器裝備某種不常出現(xiàn)故障的零件可 能突然出現(xiàn)大量損壞，而戰(zhàn)場一定數(shù)量的備用零件不 能完全滿足裝備損壞零件的維修需求。前線修復(fù)能力 不足，后方修復(fù)或重新制造新零件的制作周期長，耗費(fèi) 大量時(shí)間，導(dǎo)致武器裝備不能迅速恢復(fù)戰(zhàn)斗力，甚至延誤戰(zhàn)機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

陳振濤，男，生于2000年12月，山東菏澤人，漢族，青島理工大學(xué)本科在讀，研究方向，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化

張明悅，女，生于2002年11月，山東濟(jì)南人，漢族，青島理工大學(xué)本科在讀，研究方向，會計(jì)學(xué)

郝龍飛，男，生于2000年6月，山東濰坊人，漢族，山東魯能德益工程有限公司員工 ，研究方向：工程造價(jià)

韓茂棟，男，生于2002年4月，山東濰坊人，漢族，青島理工大學(xué)?？圃谧x，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

趙海旭，男，生于2002年3月，山東青島人，漢族，青島理工大學(xué)?？圃谧x，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造