增材制造技術(shù)在海軍裝備戰(zhàn)場維修保障中的應(yīng)用

黎杰 涂杰

增材制造技術(shù)又稱為3D打印技術(shù)，是建立在材料科學(xué)、技術(shù)及智能制造技術(shù)之上的一種三維快速自由成型的新型制造技術(shù)，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(shù)尤其適合于遠(yuǎn)離母基地的戰(zhàn)場環(huán)境下，對(duì)作戰(zhàn)裝備個(gè)別或少量損壞零件的快速維修與現(xiàn)場制造，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭“四快”：快速響應(yīng)、快速制造、快速修復(fù)、快速恢復(fù)戰(zhàn)斗力的新要求。

1 增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

最近5～10年，增材制造的發(fā)展尤為迅速。工藝類型上，立體光固化、材料噴射、粘結(jié)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(jié)等增材制造工藝和技術(shù)的突破，讓增材制造技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用成為可能；材料上，隨著可用于增材制造技術(shù)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(fù)合材料、生物活性材料等專用材料的出現(xiàn)，讓增材制造技術(shù)的應(yīng)用范圍大大增加；裝備性能上，出現(xiàn)一批超小型、超高速、超精度的增材制造設(shè)備，桌面級(jí)的FDM、復(fù)合材料、金屬材料增材制造設(shè)備的出現(xiàn)，極大地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用場景；產(chǎn)品質(zhì)量上，增材制造直接制造出的產(chǎn)品性能質(zhì)量快速提升，多種工藝的增材制造產(chǎn)品已經(jīng)能夠直接在工況使用，如GE公司LEAP使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴，國產(chǎn)大飛機(jī)C919中增材制造艙門復(fù)雜件的強(qiáng)度、耐用度等力學(xué)性能相對(duì)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(shù)在海軍裝備戰(zhàn)場維修應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1快速響應(yīng)，能有效解決遠(yuǎn)離母港艦艇的維修需求

借助增材制造設(shè)備，作戰(zhàn)艦艇可以直接在艦艇上即時(shí)生產(chǎn)各種零部件，增材制造生產(chǎn)零部件的時(shí)間通常在數(shù)小時(shí)到數(shù)十小時(shí)之間，速度效率上遠(yuǎn)勝于耗時(shí)耗力依托后方護(hù)航補(bǔ)給運(yùn)送物資。海軍112艦在亞丁灣護(hù)航期間，曾遭遇主機(jī)軸承斷裂，借助艦艇上的增材制造方艙，快速地制造了一個(gè)同規(guī)格的軸承零件，化解了險(xiǎn)情，可見增材制造的快速響應(yīng)對(duì)艦艇的快速維修價(jià)值巨大。

2.2數(shù)字化設(shè)備操作簡單，易于作戰(zhàn)人員操作使用

不同于傳統(tǒng)機(jī)床，增材制造設(shè)備是一種全數(shù)字化的制造設(shè)備，只需導(dǎo)入零部件的3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，即可自動(dòng)完成零部件的生產(chǎn)。因此，只需在艦艇的計(jì)算機(jī)上部署虛擬數(shù)字化備件模型庫，作戰(zhàn)人員即可按需選擇零部件模型數(shù)據(jù)，導(dǎo)入增材制造設(shè)備進(jìn)行快速加工制造，對(duì)作戰(zhàn)人員的制造專業(yè)技能要求相對(duì)較低。對(duì)于一些服役時(shí)間較長的老舊裝備，增材制造設(shè)備更是可以依托數(shù)字化零件模型庫，生產(chǎn)出已經(jīng)停產(chǎn)的零件備件，滿足老舊裝備的維護(hù)需求。同時(shí)伴隨增材制造設(shè)備小型化和工藝多樣化發(fā)展趨勢(shì)，其更加適合部署在艦艇上使用。

2.3原料易于搬運(yùn)存儲(chǔ)，尤為適合寸土寸金的海軍艦艇

增材制造設(shè)備只要有相應(yīng)的3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和原材料，任何結(jié)構(gòu)的零部件都可以生產(chǎn)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(chǔ)，如此艦艇上傳統(tǒng)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(qiáng)的增材制造方艙、3D設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)庫與增材制造原料庫。

3增材制造技術(shù)在海軍裝備戰(zhàn)場維修保障中應(yīng)用

歐美國家海軍高度重視增材制造技術(shù)應(yīng)用。早在2013年，美國海軍向政府裝備制造商提供技術(shù)數(shù)據(jù)包，支持他們利用增材制造技術(shù)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(shù)快速發(fā)展，美國海軍發(fā)現(xiàn)增材制造技術(shù)在艦艇關(guān)鍵部件維修保障領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力，因此逐步為艦艇裝備了增材制造方艙，以支持對(duì)戰(zhàn)損裝備的快速維修保養(yǎng)。

我國在增材制造技術(shù)修復(fù)應(yīng)用方面也取得不少技術(shù)成果，西安交通大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、哈爾濱工程大學(xué)、海軍工程大學(xué)等單位都在增材制造修復(fù)領(lǐng)域做出了大量研究，其中，西安交通大學(xué)與華中科技大學(xué)聯(lián)合研制了“戰(zhàn)場環(huán)境增材制造維修保障系統(tǒng)”。該維修保障系統(tǒng)具備裝備數(shù)字模型庫、逆向掃描、打印修復(fù)等功能，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)戰(zhàn)場受損武器裝備進(jìn)行快速打印或修復(fù)，恢復(fù)武器裝備的戰(zhàn)斗力。

4典型增材制造戰(zhàn)場維修保障系統(tǒng)構(gòu)成

武器裝備種類繁多，裝備的零部件材質(zhì)、類型和數(shù)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(duì)艦艇而言是巨大的負(fù)擔(dān)。通過增材制造維修保障系統(tǒng)，可直接使用武器裝備零部件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)字化零部件模型庫以服務(wù)于戰(zhàn)時(shí)維修保障需求。

對(duì)于損壞零件的修復(fù)，需對(duì)其進(jìn)行3D逆向掃描，將損壞部位數(shù)字化，解算出需要增材制造進(jìn)行修復(fù)的結(jié)構(gòu)，故3D逆向掃描模塊是增材制造維修保障系統(tǒng)的必備模塊。另外，武器裝備戰(zhàn)損形式繁多，用標(biāo)準(zhǔn)的工具與工裝很難滿足全面的戰(zhàn)場裝備維修需求，而配置的3D正向建模軟件模塊，可與根據(jù)實(shí)際戰(zhàn)損情況，設(shè)計(jì)針對(duì)性的工具結(jié)構(gòu)提高維修效率。3D正向建模軟件對(duì)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(zhàn)場裝備應(yīng)急強(qiáng)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(shù)一般需配備簡易的后處理模塊，以移除支撐材料，并對(duì)關(guān)鍵表面進(jìn)行精細(xì)加工，因此需配置增材制造后處理模塊。以上六大主要的構(gòu)成模塊集成度高、模塊化程度高、適用范圍廣等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各個(gè)型號(hào)裝備的戰(zhàn)場應(yīng)急搶修。

5增材制造技術(shù)在海軍裝備應(yīng)急維修領(lǐng)域的未來應(yīng)用方向

相較于傳統(tǒng)的制造方式，增材制造技術(shù)具備輕量化、全數(shù)字化、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于遠(yuǎn)洋艦隊(duì)的裝備維修保障，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)海航行伴隨保證。尤其是在我海軍海外保障基地欠缺的當(dāng)下，其發(fā)揮的作用尤為顯著。此外，增材制造技術(shù)還可部署于南海諸多的島礁基地，能大幅提高遠(yuǎn)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(shù)發(fā)展，提高增材制造技術(shù)軟件系統(tǒng)的集成化、自動(dòng)化、智能化，可以顯著提高海軍裝備應(yīng)急維修的響應(yīng)程度；增材制作系統(tǒng)和設(shè)備小型化、便攜化的發(fā)展，可以更好地適應(yīng)野外戰(zhàn)場環(huán)境對(duì)于武器裝備修復(fù)快速、精準(zhǔn)的保障要求；提高增材制作技術(shù)的材料豐富性、先進(jìn)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(jù)目前海軍裝備損傷零部件快速精準(zhǔn)修復(fù)的要求，增材制作技術(shù)必將具有更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。

6結(jié)語

高效的后勤保障是現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵因素，如何有效提高未來戰(zhàn)爭中海軍裝備的戰(zhàn)場快速修復(fù)保障能力，是我海軍必須面對(duì)的問題。增材制造技術(shù)作為一種新的手段，值得深入研究，并在日常訓(xùn)練、遠(yuǎn)海航行中加以實(shí)踐驗(yàn)證，提高我海軍的保障能力。

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