3D打印技术在武器装备维修中的应用研究

罗大成,刘延飞,王照峰,刘志国,王秋妍

(1.火箭军工程大学理学院，陕西 西安 710025；2.中国人民解放军75833部队，广东 广州 510510；3.火箭军工程大学科研部，陕西 西安 710025；4.火箭军工程大学三系，陕西 西安 710025)

3D打印技术在武器装备维修中的应用研究

罗大成1,2,刘延飞1,王照峰3,刘志国4,王秋妍1

(1.火箭军工程大学理学院，陕西 西安 710025；2.中国人民解放军75833部队，广东 广州 510510；3.火箭军工程大学科研部，陕西 西安 710025；4.火箭军工程大学三系，陕西 西安 710025)

21世纪初期，3D打印技术在金属零部件制造的应用取得了重大突破，并开始应用于飞机、火箭等装备部分零部件的制造，这为该技术在武器装备维修中的应用提供了契机。为了探讨3D打印技术在武器装备维修中的应用，介绍了国内外3D打印技术的发展现状、基本原理及其分类。总结了目前公开发布3D打印机采用材料的种类及打印产品的最大尺寸，现有3D打印技术制作的零部件的最大尺寸可达立方米级，可以满足武器装备绝大部分零部件的制作需求。分析了目前武器装备维修存在的问题，以及3D打印技术在装备维修中应用的优势。探讨了3D打印技术在装备维修中的应用，包括在复杂结构件中、组合件一体化成型和复杂结构件维修中的应用，以及实物备份和3D打印设备相结合的新型保障模式，并总结了3D打印技术在装备维修应用中需要解决的技术问题。研究表明，3D打印技术在武器装备维修方面具有广阔的应用前景。

航空航天； 智能制造； 3D打印； 增材制造； 快速成型技术； 一体化成型； 发动机

0 引言

3D打印技术的专业术语为“快速成型技术”，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1]。理论上只要有3D模型电子设计图纸及打印材料，就可以根据需要，采用3D打印技术快速制造出各种部件。因此3D打印技术被广泛应用于小批量和复杂零部件的制造，在武器装备研制、制造和维修以及战场抢修等方面具有广阔的应用前景。

近年来，3D 打印技术在我国日益受到重视。其关键技术研究不断取得突破，性能不断提升，在军民用领域的应用取得重要进展[1]。这些都为3D打印技术在我国武器装备维修中的应用提供了契机。本文主要初步探讨3D打印技术在我国装备维修中的应用优势及可能的应用领域。

1 3D打印技术的国内外发展现状

3D打印技术的研究始于1892年J.E.Blanther提出叠层制造原理[2]，然而受限于打印材料和打印方法，3D打印技术的发展一直比较缓慢。直到20世纪80年代，3D打印的新方法不断涌现并逐步成熟、材料不断丰富，使得3D打印技术开始飞速发展，各种3D打印原理样机不断出现。3D打印产品被广泛应用于食品、建筑、医疗卫生、航空航天等多个领域，可以制造食品、骨骼、器官、飞机起落架、火箭发动机喷嘴、太空基地等多种产品[3]。从2010年开始，各大国纷纷制定了发展3D打印技术的计划或政策，大量企业进入3D打印领域，初步形成了3D打印技术发展的产业链。

从20 世纪 70 年代末至今，3D打印技术的发展大致经历了概念阶段、实验室阶段、萌芽阶段、培育阶段和发展阶段这五个阶段[2-3]，其发展历程如图1所示。

图1 3D打印技术发展历程示意图

近年来，3D打印技术在金属零部件的制造上取得了很大进展，各大国纷纷开始探讨其在武器装备制造与维修中的应用，如美国NASA某型火箭采用3D打印制造的点火装置通过点火试验，美国的F22战斗机以及我国的歼-15、歼-31均采用了3D打印技术制造的零部件。美国还于2012 年和2013 年部署了两个基于3D 打印技术的移动远征实验室，验证基于3D打印技术的装备维修保障[1-4]，积极探索3D 打印技术在装备维修保障中的应用。3D打印技术制造金属零部件的工艺主要有激光烧结技术(selective laser sintering，SLS)、电子束选区熔化(electrom beam melting,EBM)、激光选区熔化(selective laser melting，SLM)[5-6]和激光直接沉积法(laser engineered net shaping， LENS)等，其发展现状及历程可参见文献[1]、 文献[7]～文献[9],本文不再赘述。

根据国外公开发布的3D打印机产品，打印材料包括热塑塑料、尼龙、特制刚性透明材料、聚丙烯、橡胶材料、高性能复合材料、光敏树脂、铝粉、玻璃纤维、碳纤维、不锈钢、钴铬钼合金、模具钢、钛合金、纯钛和镍基合金等，涵盖了目前绝大部分工业产品采用的材料类型，基本可以满足目前工业产品的制造需求。目前采用特制尼龙丝材为原材料的3D打印机代表产品主要有美国Stratasys公司生产的Fortus 900mc，其3D打印产品的规格可达(2 772×1 683×2 281)mm；采用光敏树脂为原材料的3D打印机代表产品主要有德国envisontec公司生产的Perfactory Xtreme，其3D打印产品的规格可达(2 560×3 200×1 600)mm；采用不锈钢、钛合金等金属材料为原材料的3D打印机代表产品主要有德国EOS GMBH公司生产的EOS M280，其3D打印产品的规格可达(2 200×1 070×2 290)mm。由此可见，3D打印技术制作的零部件的尺寸可达立方米级，能够满足武器装备绝大部分零部件的制作需求。

2 3D打印技术在武器装备维修中应用的优势

2.1 武器装备维修现状分析

武器装备在使用过程中，不可避免会出现由于零部件损坏或失效造成的故障。目前对于零部件故障的维修，大多采用备份零部件对损坏零部件进行替换的方式进行装备维修。这种装备维修模式，虽然可以在武器装备发生零部件故障时快速维修，保持和恢复武器装备的性能，但是仍然存在如下问题[10-12]。

①保障过量。武器装备通常为高科技装备，且武器系统组成复杂，使用的零部件也成千上万。武器装备的高科技特性意味着随着科学技术的进步和发展，其更新换代也较快。一旦武器装备退出现役，该装备的零备件也随之报废。如果所有的零部件都存在大量实物备份，可能会出现在武器装备服役到退役的有限时间里，大量备份零部件因从未得到使用而大量浪费。

②保障不足。武器装备使用零部件种类繁多，各种零部件的使用时间以及出现故障的概率各不相同，尤其是在战场上，各种零部件损坏的情况更加难以预测。如果所有的零部件都按相同的数量进行备份，则可能出现部分零部件存在较大富余、部分零部件却不够用的情况。

③保障效率不高。武器装备使用的零部件数量巨大、种类繁多，不可能将所有的零部件都携带至武器装备使用场地，且采用人工在大量的零部件中找到所需的备份零部件，时间难以得到保证。如果武器装备的某些零部件出现故障，而现场找不到备用零部件进行替换，或者不能及时进行损坏零部件的更换，都有可能影响武器的使用。

④维修工艺要求较高。现代武器装备使用的零部件，绝大部分对维修工艺较高的要求，需要专用维修设备，有的零部件还需要专用的维修工具和专业的技术人员。

2.2 应用3D打印技术的优势

将3D打印技术应用于装备维修，则能够解决传统装备维修保障存在的几大问题，具体如下。

①解决保障过量和保障不足问题。在未来战争中，一旦武器装备出现零部件损伤，利用3D 打印技术可以直接在战场上把所需要的零部件“打印”出来，从而及时、精确地完成受损装备的维修保障，快速恢复作战能力。

②解决装备维修效率不高的问题。在装备维修中应用3D 打印技术，可以将携带实物零部件转换为携带3D打印机和打印材料，从根本上解决了难以携带全部备份零部件的问题；还可以将所携带零部件实物转换为计算机数据库中3D模型数据，使装备维修的针对性将更加明确，装备维修的速度将得到较大的提高。

③解决复杂零部件生产周期长的问题[12]。从3D设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时，整个生产过程数字化，可随时修正、随时制造。3D打印的过程与零部件的复杂程度无关，是真正的自由制造。对于一些结构复杂零部件的制造，采用3D打印技术后生产周期明显缩短。

④弥补装备维修设备建设滞后的现状，提升保障能力。武器装备技术含量高，维修工艺要求更高，较多零部件的维修需要专用的维修设备和维修工具。但是有些修理厂或维修厂因为相应的修理设备、工具跟不上发展需求，所以在具体组织、实施装备保障上有一定难度，这在一定程度上影响和制约着武器装备维修保障能力的提高。采用3D打印技术，通过预先准备零部件的3D模型数据，维修人员不仅可以直接制造出所需的零部件，还可以借助网络和生产厂家联系，获得维修工具的相关数据资料，并现场打印维修所急需的维修工具；必要时，还可由后方设计人员根据前线维修需求临时设计新的维修工具，改善装备维修设备建设滞后的现状，提升保障能力。

3 3D打印技术在武器装备维修中的应用初探

3.1 在结构件生产中的应用

采用3D打印技术，可以在战场环境中对损坏武器装备进行直接制作。目前，我国采用3D打印技术制作零部件的应用实例如表1所示[13-15]。

表1 国内3D打印零部件应用实例

我国还研制成功了目前世界上最大成形空间的快速制造装备，即1.2 m×1.2 m的“立体打印机”(基于粉末床的激光烧结快速制造装备)。该3D打印机尤其适合动力装备、航空航天、汽车等高端产品上的关键零部件制造，如空心涡轮叶片、涡轮盘、发动机排气管、发动机缸体和缸盖等[16]。

2015年7月，在北京举办的“国防科技工业军民融合发展成果展”中，北京航空航天大学的展板介绍了近50件3D打印的大型关键钛合金、超高强度钢构件。这些构件通过了大型客机、大型运输机、舰载机、新型火箭等装备的动强度、静强度、疲劳寿命、震动、冲击等全尺寸零件试验测试。

由以上国内应用实例可以看出，3D打印技术制备的零部件满足航空航天装备的使用要求。由此可以推断，武器系统中复杂的零部件完全可能采用3D打印技术进行制作。

3.2 在组合件一体化成型中的应用

零部件的组装是航空、航天制造产业需要重点考虑的问题。一般而言，产品的组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越高。

3D打印技术能实现零部件一体化成型，省去了零部件组装的麻烦。如民用航空发动机LeapX的一些关键组合件(包括燃油喷嘴)就是通过3D打印技术制造的。若采用传统生产工艺，制造1个燃油喷嘴，需要生产20多个零部件并进行组合，而采用3D打印技术可以一体化成型制造，且制造出的产品和传统工艺生产的同类产品相比，质量减轻了25%，使用寿命也延长了将近5倍。由此可见，采用3D打印技术进行部分组合件的一体化成型制造，可以降低制造成本及维护成本。武器装备中存在大量的组合零部件，这些零部件也可以考虑采用3D打印技术进行一体成型制造。

3.3 在结构件维修中的应用

3D打印技术的一个显著优点，就是可以根据零部件的3D数字模型，对老旧或损伤零部件进行维修与工装。目前，国内外已经有采用3D打印技术对复杂结构件进行维修的实例，如表2所示[17-21]。

表2 国内外采用3D打印技术维修复杂零部件实例

由表2所示的成功维修案例可知，3D打印技术也完全可以应用于武器系统受损部件维修。基于3D打印技术，一些特制的3D打印机则可根据相应3D建模技术中所存储的完好零件的形状与尺寸，对武器装备损伤部分进行喷印修复。对于磨损程度未达到更换标准的备用件，诸如磨损的轴承、发射车轮胎部件，也可以通过3D打印技术进行小范围的修补，大大降低更换零部件的成本。

3.4 新型保障模式探讨

武器装备的常用备份零部件种类繁多，以某型武器装备为例，该型武器的备附件及配套工具主要有以下十大类：①各种装备、车体；②各种面板、架体、支杆；③防尘盖、药盒盖、接头堵盖、裙保护盖等金属盖；④各种阀门；⑤传动箱和轴套；⑥驱动轴；⑦各种软硬导管(气、液管路)；⑧各种连接线；⑨各种轮胎、车轮；⑩各种密封件、螺钉、垫片等。

这十大类的零部件中，有一些结构简单、体积较小，且目前对应的传统工艺有较强制造能力，如架体、支杆、连接线、螺钉和垫片等，这类零部件采用实物备份比较合适。而另一些结构复杂、尺寸较大且需要专门车间才能制造的零部件，如车体、防尘盖等各种金属盖、传动箱和轴套以及驱动轴等，可能采用3D打印技术进行制造的成本更低、制造时间更短、需要的配套设施更少。因此，武器装备的维修模式可以考虑采用实物备份和3D打印设备备份相结合的模式。

3.5 需要解决的技术问题

就目前国内外3D打印机产品的制备能力而言，在装备维修中应用3D打印技术仍需要解决以下问题。

①备份零部件的3D数字模型。目前备份零部件都是以实物的形式进行备份，各种零部件的材料也是以纸质图纸为主。若采用3D打印技术进行制造，必需制作零部件的3D数字模型。

②零部件材料的通用性分析。装备的零部件种类繁多，涉及的材料也多种多样。有些零部件的材料可以通用，如各种螺钉有以特种钢为材料的，也有以合金为材料的，只要性能指标如静强度、动强度、疲劳寿命、冲击、震动等参数接近，即可以通用或者统一采用性能更佳的材料。采用通用化分析，可以减少3D打印机的数量和打印材料的种类。

③3D打印机的优化配置。3D打印产品的最大尺寸取决于3D打印设备的尺寸，需要制造零部件产品的尺寸越大，则采用的3D打印设备也就越大。就国内的3D打印设备而言，若需要制备或修复长宽高分别达到纳米级的复杂零部件，则需要类似国家3D打印实验中心的一整套设备；若需要制造的零部件的长宽高均为分米级，则采用市场上销售的3D打印机即可满足要求。同时，由于3D打印的原理各不相同，每台3D打印设备可使用的原材料的种类有限。这就存在一个优化配置的问题，即如何采用最小尺寸配置的3D打印机、最少数量的3D打印机以及最少种类的打印材料，满足绝大部分武器装备零部件的制造要求。这需要大量零部件性能测试的试验数据作为支撑。

4 结束语

目前，3D打印技术正处于飞速发展阶段。 3D打印材料的种类正在逐步增加，特别是复杂金属材料的3D打印取得了较大突破，其产品的性能也在稳步提升。由公开的报告可以看出，3D打印产品的各种性能已经接近于目前锻造的同类零部件。3D打印的速度也在逐步加快，特别是一些复杂金属零备件，其制备速度快于传统制造的速度。可以预见，在不久的将来，将3D打印技术应用于装备维修是完全可能实现的。

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Research on the Application of 3D Printing Technology in Maintenance of Weapons and Equipment

LUO Dacheng1,2，LIU Yanfei1，WANG Zhaofeng3，LIU Zhiguo4，WANG Qiuyan1

(1.School of Science,Rocket Force University of Engineering,Xi’an 710025,China;2.75833 Troop of PLA，Guangzhou 510510,China;3.The Research Section,Rocket Force University of Engineering,Xi’an 710025,China;4.The No.3 Department,Rocket Force University of Engineering,Xi’an 710025,China)

In the early 21st century,the 3D printing technology achieved a major breakthrough in manufacturing metal parts,and started to be applied in manufacturing some of the parts for airplanes,rockets and etc.This provides 3D printing technology a valuable opportunity for the application in weapon equipment maintenance.In order to investigate the applications of 3D printing technology in maintenance of weapon and equipment,the current status of development,the basic principle and classification of 3D printing technology are introduced.The types of material used by 3D printer and the maximum sizes of the products printed that public released are summarized,it is concluded that the maximum sizes of the parts made by 3D printing technology can reach the level of cubic meters,so this can satisfy the requirements for most of the parts for weapon and equipment.The shortcomings of the methods adopted at present in weapon equipment maintenance and the superiority of 3D printing technology for its application in weapon equipment maintenance are analyzed.The applications of 3D printing technology in weapon equipment maintenance are discussed,including in producing complex components,the integrated molding of bonded block,and the maintenance of complex components.A novel model of weapon equipment maintenance based on the combination of duplicate components is presented.Finally,some of the technical issues which must be solved in weapon equipment maintenance are summed up. Research shows that 3D printing technology has a broad application prospect in weapons equipment maintenance.

Aerospace; Intelligent manufacturing; 3D printing; Increasing material manufacturing; Rapid forming technology; Integrated molding; Engine

罗大成(1981—)，男， 博士，讲师,主要从事3D打印应用技术、导航、制导与控制等方向的研究。E-mail:luodcheng@163.com。

TH17;TP207

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704008

修改稿收到日期：2016-10-19