增材制造技术在海军装备战场维修保障中的应用

黎杰 涂杰

增材制造技术又称为3D打印技术，是建立在材料科学、技术及智能制造技术之上的一种三维快速自由成型的新型制造技術，是一种材料累加的加工制造方法，尤其适合于单件或小批量零件的快速制造。这一特性使得增材制造技术尤其适合于远离母基地的战场环境下，对作战装备个别或少量损坏零件的快速维修与现场制造，适应现代战争“四快”：快速响应、快速制造、快速修复、快速恢复战斗力的新要求。

1 增材制造技术发展现状

最近5～10年，增材制造的发展尤为迅速。工艺类型上，立体光固化、材料喷射、粘结剂喷射、粉末床熔融、材料挤出、定向能量沉积、薄材叠层、选择性隔离烧结等增材制造工艺和技术的突破，让增材制造技术在各行业领域中的应用成为可能；材料上，随着可用于增材制造技术的各类材料的不断增多，特别是一些高性能合金材料、陶瓷材料、新型高分子复合材料、生物活性材料等专用材料的出现，让增材制造技术的应用范围大大增加；装备性能上，出现一批超小型、超高速、超精度的增材制造设备，桌面级的FDM、复合材料、金属材料增材制造设备的出现，极大地扩展了应用场景；产品质量上，增材制造直接制造出的产品性能质量快速提升，多种工艺的增材制造产品已经能够直接在工况使用，如GE公司LEAP使用增材制造技术生产的航空发动机燃油喷嘴，国产大飞机C919中增材制造舱门复杂件的强度、耐用度等力学性能相对于原有铸件都明显提升，并且在制造成本、周期、重量等方面也取得了显著效益。

2 增材制造技术在海军装备战场维修应用中的技术优势

2.1快速响应，能有效解决远离母港舰艇的维修需求

借助增材制造设备，作战舰艇可以直接在舰艇上即时生产各种零部件，增材制造生产零部件的时间通常在数小时到数十小时之间，速度效率上远胜于耗时耗力依托后方护航补给运送物资。海军112舰在亚丁湾护航期间，曾遭遇主机轴承断裂，借助舰艇上的增材制造方舱，快速地制造了一个同规格的轴承零件，化解了险情，可见增材制造的快速响应对舰艇的快速维修价值巨大。

2.2数字化设备操作简单，易于作战人员操作使用

不同于传统机床，增材制造设备是一种全数字化的制造设备，只需导入零部件的3D设计数据，即可自动完成零部件的生产。因此，只需在舰艇的计算机上部署虚拟数字化备件模型库，作战人员即可按需选择零部件模型数据，导入增材制造设备进行快速加工制造，对作战人员的制造专业技能要求相对较低。对于一些服役时间较长的老旧装备，增材制造设备更是可以依托数字化零件模型库，生产出已经停产的零件备件，满足老旧装备的维护需求。同时伴随增材制造设备小型化和工艺多样化发展趋势，其更加适合部署在舰艇上使用。

2.3原料易于搬运存储，尤为适合寸土寸金的海军舰艇

增材制造设备只要有相应的3D设计数据和原材料，任何结构的零部件都可以生产制造。增材制造的原材料多为线材、粉材、液体材料等，占地面积小易于存储，如此舰艇上传统的成品备件仓库将逐渐淡出，取而代之是占地面积更小与制造灵活性更强的增材制造方舱、3D设计模型数据库与增材制造原料库。

3增材制造技术在海军装备战场维修保障中应用

欧美国家海军高度重视增材制造技术应用。早在2013年，美国海军向政府装备制造商提供技术数据包，支持他们利用增材制造技术制造舰艇装备零件，包括舰艇炮塔组件、炮管和炮尾等。随着增材制造技术快速发展，美国海军发现增材制造技术在舰艇关键部件维修保障领域具有良好的应用潜力，因此逐步为舰艇装备了增材制造方舱，以支持对战损装备的快速维修保养。

我国在增材制造技术修复应用方面也取得不少技术成果，西安交通大学、装甲兵工程学院、哈尔滨工程大学、海军工程大学等单位都在增材制造修复领域做出了大量研究，其中，西安交通大学与华中科技大学联合研制了“战场环境增材制造维修保障系统”。该维修保障系统具备装备数字模型库、逆向扫描、打印修复等功能，能够在极短的时间内对战场受损武器装备进行快速打印或修复，恢复武器装备的战斗力。

4典型增材制造战场维修保障系统构成

武器装备种类繁多，装备的零部件材质、类型和数量更是巨大，而海军舰艇上空间极为有限，大量零部件备件库存对舰艇而言是巨大的负担。通过增材制造维修保障系统，可直接使用武器装备零部件的设计数据进行快速制造，而无需占用场地的物理库存，因此首先需配置武器装备的数字化零部件模型库以服务于战时维修保障需求。

对于损坏零件的修复，需对其进行3D逆向扫描，将损坏部位数字化，解算出需要增材制造进行修复的结构，故3D逆向扫描模块是增材制造维修保障系统的必备模块。另外，武器装备战损形式繁多，用标准的工具与工装很难满足全面的战场装备维修需求，而配置的3D正向建模软件模块，可与根据实际战损情况，设计针对性的工具结构提高维修效率。3D正向建模软件对使用人员技能要求较高，且武器装备材料类型多样，采用一种增材制造方式无法满足战场装备应急强求的需求，因此需配置高分子材料增材制造模块与金属材料增材制造模块这两种主流材料的增材制造工艺。增材制造技术一般需配备简易的后处理模块，以移除支撑材料，并对关键表面进行精细加工，因此需配置增材制造后处理模块。以上六大主要的构成模块集成度高、模块化程度高、适用范围广等特点，可广泛应用于各个型号装备的战场应急抢修。

5增材制造技术在海军装备应急维修领域的未来应用方向

相较于传统的制造方式，增材制造技术具备轻量化、全数字化、适用范围广等优点，尤其适合于远洋舰队的装备维修保障，可实现真正意义上的远海航行伴随保证。尤其是在我海军海外保障基地欠缺的当下，其发挥的作用尤为显著。此外，增材制造技术还可部署于南海诸多的岛礁基地，能大幅提高远离母基地的装备维修效率和出勤率。充分利用信息化、智能化的技术发展，提高增材制造技术软件系统的集成化、自动化、智能化，可以显著提高海军装备应急维修的响应程度；增材制作系统和设备小型化、便携化的发展，可以更好地适应野外战场环境对于武器装备修复快速、精准的保障要求；提高增材制作技术的材料丰富性、先进性以及打印精度，可以有效满足海军装备零部件多样性的需求。总之，根据目前海军装备损伤零部件快速精准修复的要求，增材制作技术必将具有更为广泛的应用和发展前景。

6结语

高效的后勤保障是现代战争胜负的关键因素，如何有效提高未来战争中海军装备的战场快速修复保障能力，是我海军必须面对的问题。增材制造技术作为一种新的手段，值得深入研究，并在日常训练、远海航行中加以实践验证，提高我海军的保障能力。

参考文献：

[1] 曹文斌，贾希胜，胡起伟，等.基于选择性维修的装备战场抢修决策建模[J].系统工程与电子技术，2018，40（1）：98-105.

[2] 周辅疆，朱小冬，顾宏余，等.基于维修保障单元利用率与数量战时装备维修保障系统结构设计研究[J].国防科技，2012，33（3）：21-26.

（作者简介：黎杰，中国人民解放军92246部队，硕士研究生，助理工程师；涂杰，中国人民解放军92246部队，工程师）