浅析3D打印技术在装备维修保障方面的应用

赵顺 张坤 赵万生

摘 要：随着3 D打印技术迅猛发展，已在建筑、航天、医疗、农业、国防等各个领域取得丰硕成果，受到世界各国高度重视。3D打印在国防领域的发展将对未来战争产生重要影响，将成为推动军事工业供应链条变革的重要力量。

关键词：3D 打印技术;装备维修保障;应用

1 3D打印技术原理与优势

3D打印又称增材制造，是通过复层叠加方式来制造零件的，首先利用计算的程序对制件的模型进行分层处理，然后控制机器逐层地堆积切片材料，周而复始，将切片薄层堆积成体块件，获得三维实体零件。目前，比较常见的 3D 打印技术主要有立体印刷、激光选区烧结、激光选区熔融、三维焊接、熔融沉积成型等。将3D打印技术应用于装备维修保障领域，与传统保障模式相比，具有以下突出优点：①通过实体模型即能打印出零件，无需配备或囤积大量备份零部件;②不受复杂形状的限制，解决了传统保障模式制造困难、周期长等问题;③精确快速保障，能为战时应急保障节省大量人力物力和时间成本。

2重塑装备维修供应方式

3D打印具有快速、精确、订制化、浪费少等优点，在装备维修领域3D打印技术可用于装备维修备件和工具的快速制造，打破空间、时间和地域的限制，为军事后装保障领域带来根本性改变。

一是加工简化，速度惊人。传统制造工序多而繁杂，工作量大，周期长。3D打印不仅工序简化，制造过程更是一气呵成，能够实现武器装备快速抢修。比如，飞机前端的双曲面造型主风挡窗框的生产，即使技术先进的飞机制造公司，传统制造至少要花费两年时间，而3D打印却只需55天，生产周期缩短了12倍。2017年7月，美国橡树岭国家实验室与海军颠覆性技术实验室合作开发出美军首个采用3D打印技术制造的潜艇艇体。该潜艇艇体结构由一种碳纤维复合材料制成，艇体长约9.14米，采用大面积3D打印技术制造而成。从概念到组装，整个过程耗时不到4周，这对于未来潜艇的制造具有重要意义，大幅缩短了制造时间。美国海军计划2019年打造第二个3D打印船体，并将进行水下测试。

二是工序减少，成本节省。传统制造工艺复杂，每道工序要有熟练工人操作，耗费大量工时不说，原材料浪费也十分惊人。通用电气公司采用3D打印技术制造发动机钛合金零件，使每台发动机成本节省了2.5万美元。美国生产一架F-22战机，钛合金的利用率只有5%。如果是3D打印，材料“按需配给”，原材料利用率可达90%以上，还省去了制模、铸造、组装等复杂的工序，节省大量人力物力，成本降到最低。美国RLM工业公司利用3D打印技术制造“爱国者”防空系统齿轮组件，其制造成本由原来采用传统制造工艺的2-4万美元降低到1250美元。

三是无需特殊场地，排除空间限制。在位置偏远的高寒山地地区，基础设施很少的地方，部分装备损坏后，维修所需的配件无法及时得到补给，影响受损装备的修复速度。3D打印技术只要有装备的设计图纸、合适的打印材料以及先进的打印设备，士兵可以在战场上按需生产作战物资，真正实现后装保障“前置化”。美军两次向阿富汗部署了可移动的3D打印方仓，可以将铝、塑料和钢材等材料现场生产加工成所需零部件，包括单兵防护装备和武器零部件。荷兰国防部也开发了“AMCOD——国防增材制造集装箱”，标配CAD工作站和INTAMSYS FUNMAT系列3D打印设备，可实现无翘曲3D打印，双喷头液冷系统，可实现500度的高温打印。同时，AMCOD里配备了空调、通风设备和UPS，以防止发电机峰值负载波动对3D打印机造成干扰。通过这种方式，在世界各地执行任务的荷兰海军陆战队不再依赖于复杂的后勤供应线。

四是善于复杂制造，按需打印。传统制造对于曲线、凹槽、凸起、镂空等结构复杂的产品，需要高精尖设备和技术，而3D打印一个极其复杂的特殊产品和打印一个长方体一样简单。特别适合打印单件或小批量生产，做到随要随打，按需生产。由于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，这是传统方法无法比拟的。这一特点格外适合制造复杂的钛合金结构部件、具有复杂内部冷却通道的航空发动机涡轮叶片、内部材料和结构复杂的坦克装甲等武器关键零部件，这会极大地降低复杂武器装备部件的生产成本。

3 3D打印技术在国防的应用前景展望

3D打印虽然具有得天独厚的优势，但其发展受独立制造技术、可选材料的限制，导致打印的产品种类有限，服务于国防还不够广泛，需要更成熟的技术支持。

一是军民融合，提高技术水平。许多大型武器装备部分零件是以3D打印技术制造而成的，这一技术具有周期短、成本低、省材料、無需锻造、无需模具等优势，是一项革命性技术，但因技术、人才、资金、材料等不足，它还不是一项颠覆性技术，很难替代传统的铸造、液压等技术，还不具备在装备保障中普遍全面推广的程度。因此，我们应进一步深化军民融合路子，建设3D打印产业联盟，建立常态化交流合作机制，促进资源共享和互惠互利;建立产业协同创新机制，加强与国内外科研机构的合作交流，强化技术标准、专利及创新体系的建设，提升产业核心竞争力;开展前瞻性研究和技术联合攻关，破解技术发展中的各种难题，促进3D打印技术的不断发展成熟，为广泛应用于装备保障中打下基础。

二是实践探索，掌握关键技术。军事装备具有特殊性，军工企业要立足部队列装的武器装备，建立完善材料研发平台，以聚合物材料、金属材料、陶瓷材料、钛合金等为重点，研发生产3D打印材料，培育拥有自主知识产权的材料生产技术，满足我军未来战场装备保障所需的3D打印材料;针对部队现有的高新尖端武器装备，建设核心部件和装备研发平台，开发高精度成型工艺核心部件，研发硬件控制技术与开放式数控系统、3D打印及后处理设备的集成技术，加快我军3D打印技术在信息领域的推广应用，确保关键核心部件和装备的集聚发展;针对信息化条件下武器装备种类多样、形状各异、性价比高等特点，建设3D建模研发平台，研发3D模型获取、3D建模技术与工程仿真、3D打印过程控制等关键技术，推动3D打印数字化建模系统产业化创新应用，抢占未来信息化战争中3D技术的制高点。

三是形成体系，强化竞争优势。目前，3D打印技术的行业规范和标准还没建立起来，具体的发展纲要或规划也尚未出台，市场成熟度不够，竞争力比较脆弱。尽管各地政府和军工企业对3D打印技术极为重视，竞相发展3D打印产业，以致分散发展，无法使3D打印产业形成聚力发展的态势。因此，3D打印技术的产业发展需进行顶层规划设计，。推动我国由“制造大国”向“制造强国”转变，带动我军传统装备保障模式向新型装备保障模式转型升级，促进部队战斗力整体跃升。

3D打印尽管受到相关技术和打印材料的制约，但它作为一种革命性的制造方法，已在军事领域展现出广阔的应用前景，成为推进军事变革的新生力量。