朱 勝， 柳 建,， 殷鳳良， 孟凡軍， 顧海清

(1. 裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室, 北京 100072;2. 68129部隊, 甘肅 蘭州 730058 )

增材制造技術即是時下流行的3D打印技術，亦即國內(nèi)稱之為“快速成形”的一種先進制造技術，其本質(zhì)原理是離散與堆積，即在計算機的輔助下，通過對實體模型進行切片處理，把三維實體的制造轉(zhuǎn)換成二維層面的堆積和沿成形方向上的不斷疊加，最終實現(xiàn)三維實體的制造。由于與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造技術具有節(jié)材、節(jié)能以及成形不受零件復雜程度限制等優(yōu)勢，因此受到了國內(nèi)外的廣泛關注。如今，增材制造技術已經(jīng)在工業(yè)、生物醫(yī)療、考古等行業(yè)得到廣泛的應用[1-5]。

增材制造技術的高度柔性及快速性特點十分符合現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的快速精確保障要求。因此，增材制造技術在軍用制造領域的應用受到各國的高度關注。美國的F-22等戰(zhàn)機上許多零件的生產(chǎn)都采用增材制造技術，并且已經(jīng)研制了用于戰(zhàn)場使用的高柔性現(xiàn)場零件制造系統(tǒng)[6]。我國在增材制造技術制備金屬零件方面也有深入的研究，并取得了一系列重要成果。

裝備零部件的精確保障要求不但包含裝備零部件的快速“無中生有”，也包含快速實現(xiàn)損傷零部件的 “壞中修好”。但是，增材制造技術在損傷裝備零部件再制造應用方面還處于初級階段。本文將對增材再制造技術在美軍及國內(nèi)的應用現(xiàn)狀進行簡要介紹，并對目前存在的問題及其發(fā)展趨勢進行分析與展望。

1 增材再制造及其流程

增材再制造就是利用增材制造技術對裝備損傷零部件(包括戰(zhàn)損和正常服役中出現(xiàn)的損傷)進行再制造修復：首先利用三維掃描儀對損傷零件進行掃描，獲取損傷零件的數(shù)字化模型；然后對數(shù)字模型進行處理，進而生成缺損零件CAD模型，并通過與標準模型進行比對生成再制造修復模型；接下來對再制造模型進行分層路徑規(guī)劃處理，最后3D打印系統(tǒng)依規(guī)劃路徑對損傷零件進行再制造修復。其技術流程如圖1所示。

圖1 裝備零部件增材再制造修復流程

2 增材再制造應用現(xiàn)狀

近年來，3D打印產(chǎn)業(yè)在全球的發(fā)展進行得如火如荼；但是，3D打印再制造行業(yè)的發(fā)展還處于初級階段，根據(jù)科技行業(yè)獨立咨詢公司W(wǎng)ohlers Associates的分析報告，預計到2019年，3D打印行業(yè)的收入將達69億美元，其中成品生產(chǎn)預計將占80%，這說明增材制造技術在再制造領域的應用有限。目前，無論是國內(nèi)還是國外，增材制造技術在再制造領域的應用都主要集中在軍隊裝備零部件再制造及高端產(chǎn)品再制造修復，即航空航天方面高附加值零件的再制造修復。

2.1 美軍應用現(xiàn)狀

美國軍隊一直是增材制造技術應用的先行者，也是目前世界上最大的再制造受益者。利用先進的增材制造技術對損傷裝備零部件進行再制造，代替直接更換新的零部件，不但可以節(jié)約大量的軍用裝備制造費用，而且延長了裝備的壽命，提高了裝備的維修能力。因此，增材再制造工程的研究早就引起了美國國防決策部門的重視，并將武器系統(tǒng)的性能升級、延壽技術和再制造技術列為目前和將來國防制造重要的研究領域[7]。自20世紀起，美國軍方就采用各種技術對B-52轟炸機、阿帕奇直升機及M1坦克等裝備進行了再制造[6，8-19]。AeroMet公司早在2000年就采用Laser Forming 增材制造技術對軍用直升機上破損的鈦合金構(gòu)件進行再制造修復，再制造比直接更換新構(gòu)件節(jié)省了2～6萬美元。同時，該公司還與通用電氣(GE)、勞斯萊斯(RollsRoyce)等公司合作，利用該技術對F119戰(zhàn)斗機的發(fā)動機風機保護罩進行再制造修復。GE公司在新加坡建立的發(fā)動機葉片維修工廠，每年用激光熔覆增材制造技術修復的發(fā)動機葉片高達上萬個，由此帶來的經(jīng)濟效益相當可觀。

2001年開始，美國開始利用LENS(Laser Engineered Net Shaping)增材制造技術對在阿富汗戰(zhàn)場上失效的黑鷹直升機葉輪葉片進行再制造修復[6,14-16]。據(jù)報道，采用LENS技術再制造修復一個直升機發(fā)動機比采用傳統(tǒng)方法修復大約可以節(jié)省10余萬美元，并且由于再制造部分的材料耐磨性能優(yōu)于原始材料，因此可以大大延長發(fā)動機的使用壽命。采用LENS技術再制造修復的葉輪葉片如圖2所示[19]。

圖2 LENS技術修復的黑鷹戰(zhàn)機葉輪上的葉片

POM公司通過與俄羅斯政府合作，于2003年起也開始應用增材再制造技術對老化的軍用飛機發(fā)動機渦輪葉片進行翻新，不過，他們采用的是DMD(Direct Metal Deposition)技術[20]。

隨著增材制造技術的不斷發(fā)展，美國軍方對其在航空航天領域的應用也更加重視。據(jù)報道，美國國防部已計劃將增材制造技術應用于太空軌道修復，助力美國防部鳳凰計劃。

陸軍裝備方面，2001年，美國阿拉巴馬陸軍軍械庫(Anniston Army Depot, ANAD)在Optomec公司的幫助下，投資300萬美元搭建了基于LENS增材再制造技術的軍械修復系統(tǒng)，用于艾布拉姆斯M1坦克(Abrams M1 Tank)燃氣渦輪發(fā)動機零部件的再制造修復，主要包括轉(zhuǎn)子、密封轉(zhuǎn)輪、間隔壓氣機、導向器葉片、壓氣機定子、壓氣機葉片等。系統(tǒng)正式投入使用后，僅第一年(2002年)就為美軍節(jié)省軍費開支630萬美元[17]。

目前，由Optomec公司搭建的被稱為“移動零件醫(yī)院”(Mobile Parts Hospital, MPH)的伴隨快速保障系統(tǒng)已經(jīng)在阿富汗戰(zhàn)場上獲得應用，并成功地對機槍等武裝裝備零部件進行了快速制造和再制造修復，大幅提升了裝備快速精確保障響應速度和保障水平。

2.2 國內(nèi)應用現(xiàn)狀

國內(nèi)方面，雖然增材制造技術在中國的起步較晚，但增材制造技術在裝備零部件維修保障上的優(yōu)勢一開始就受到各方面的重視。目前，國內(nèi)在裝備零部件增材再制造修復的研究與應用上已經(jīng)取得了一系列成就。

中科院沈陽自動化研究所快速成形實驗室與海軍航空工程學院青島分院合作，開展了金屬粉末激光成形(Metal Powder Laser Shaping, MPLS)增材制造技術研究。目前，該技術已成功應用于某主戰(zhàn)機種發(fā)動機渦輪導向器、艦船螺旋槳葉片的再制造修復[6,21]。沈陽的大陸激光技術有限公司采用基于激光的增材制造技術加等離子噴涂技術對煙氣輪機葉片實施再制造修復，收到較好的效果。

裝甲兵工程學院自2003年國內(nèi)首家再制造領域的國家級重點實驗室——裝備再制造技術國防科技重點實驗室——成立起，就一直致力于我軍裝備零部件的再制造修復工作。該實驗室采用激光熔敷、電弧熔敷以及等離子弧熔敷增材制造技術，以及熱噴涂、電刷鍍等表面工程技術，構(gòu)建了符合我軍特色的裝備零部件再制造修復技術體系。實驗室已成功地利用激光等增材制造技術對包括坦克發(fā)動機、飛機發(fā)動機葉片等在內(nèi)的陸、海、空各軍種裝備零部件進行了再制造修復，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和軍事效益。圖3-5為實驗室利用幾種增材再制造技術修復的零件圖[22-24]。

西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室是國內(nèi)最早開展金屬材料增材制造研究的幾家單位之一。該實驗室在航空科學基金、973國家重點基礎研究項目等基金的資助下，以先進飛機和發(fā)動機所需的一些關鍵零部件為具體應用對象，系統(tǒng)地開展了LENS金屬材料直接成形技術研究[25]。近期，實驗室以此技術為基礎，成立了西安鉑力特激光成形技術有限公司，專門從事高性能致密金屬零件的3D打印直接制造及再制造修復工作。據(jù)報道，5719工廠日前已經(jīng)正式啟動了成都增材制造產(chǎn)業(yè)工程技術研究中心，大力發(fā)展飛機整機維修、航空發(fā)動機葉片修復增材再制造技術。

圖3 激光熔敷再制造截斷軸凸輪

圖4 基于焊接3D打印修復的活動盤

圖5 等離子熔敷再制造的發(fā)動機排氣門

近期，合肥工業(yè)大學專門成立了三維打印與激光再制造先進技術研究中心，建設“3D打印及激光熔覆設備系統(tǒng)平臺”，專門從事高端3D打印制造設備研發(fā)，以及3D打印直接制造與再制造技術研究。

另外，隨著增材制造技術在國內(nèi)的發(fā)展，許多公司如中航重機、南風股份、上海彩石激光科技有限公司等，都把高端工業(yè)零部件的再制造列為公司重要的發(fā)展方向。

3 存在問題與發(fā)展趨勢

3.1 增材再制造技術目前存在的問題

雖然增材制造技術已經(jīng)在裝備零部件的再制造中成功應用，并取得了不錯的效果，但是，由于再制造過程十分復雜，加上增材制造技術本身還不夠成熟， 目前的增材再制造還處于初級研究階段，存在許多亟待解決的問題，導致距離戰(zhàn)場現(xiàn)場實現(xiàn)裝備損傷零部件快速精確再制造的要求還有一定的距離。

1) 再制造模型獲取過程復雜，效率低下。損傷零件的再制造修復過程十分復雜，其中，損傷零件數(shù)字化模型的獲取及模型重構(gòu)是逆向工程問題，模型比對處理是正向設計問題，同時還包含分層以及文件格式轉(zhuǎn)換等諸多問題，通常需要三方軟件的協(xié)作才能完成。目前的軟件系統(tǒng)集成化、自動化程度低下，大幅度地降低了裝備損傷零部件的增材再制造響應速度。

2) 設備便攜性差。目前，激光設備存在系統(tǒng)復雜、結(jié)構(gòu)龐大的缺陷，導致目前主流的基于激光的增材制造技術存在系統(tǒng)復雜、便攜性差的問題。同時，損傷零件數(shù)字化模型獲取的反求掃描設備也存在需要常規(guī)電源以及便攜性差的問題。這些因素造成野外戰(zhàn)場現(xiàn)場環(huán)境下，無法實現(xiàn)戰(zhàn)損零件的模型快速反求及快速再制造修復。

3) 技術相對單一。目前的主流增材制造技術都是以激光為熱源的打印技術。激光雖然有能量集中、成形材料廣泛等優(yōu)點，但也存在系統(tǒng)昂貴、復雜等缺點，造成增材制造和再制造成本較高，普及比較困難。

4) 增材制造技術精度比較低。目前，增材制造技術的成形精度還比較低，無論是直接制造件還是再制造修復件，都需要進行后處理加工后才能使用。

5) 材料問題。目前用于增材制造技術直接制備金屬零件的材料種類還比較少，導致可以進行再制造修復的裝備零部件種類有限。

3.2 增材再制造技術未來發(fā)展趨勢

根據(jù)裝備損傷零部件戰(zhàn)場現(xiàn)場快速精確再制造保障要求，可以預見，未來增材再制造技術的發(fā)展將主要集中在以下方面。

1) 提高再制造軟件系統(tǒng)的集成度和自動化程度，以提高裝備損傷零部件增材再制造的響應速度。目前，已有公司推出正逆向混合設計軟件，向高集成度再制造軟件系統(tǒng)邁進了一步。另外，鑒于點云數(shù)據(jù)構(gòu)建曲面模型過程繁瑣，大連海事大學已展開點云數(shù)據(jù)與零件標準CAD模型直接進行比對，生成再制造修復模型的理論研究[26]，以簡化再制造模型獲取流程，提高系統(tǒng)自動化水平，進而提高損傷零件的增材再制造響應速度。

2) 增材制造系統(tǒng)向桌面化、便攜方向發(fā)展，以適應野外戰(zhàn)場現(xiàn)場快速精確保障要求。據(jù)報道，目前，美國陸軍太空與導彈防御司令部、陸軍部隊戰(zhàn)略司令部未來作戰(zhàn)中心創(chuàng)新辦公室為戰(zhàn)場人員研發(fā)了一款質(zhì)量小、價格低的3D打印機，該機可以放在作戰(zhàn)人員的背包中并在戰(zhàn)場上使用。

3) 增材再制造向技術多樣化及與其他制造技術相結(jié)合的方向發(fā)展，以解決激光3D打印設備昂貴、便攜性差等缺陷，同時解決增材制造精度不高的問題。

4) 提高增材再制造材料的多樣性和先進性，滿足裝備零部件多樣性的需求。隨著增材制造技術的深入發(fā)展和打印材料需求的不斷擴展，目前，國內(nèi)的增材制造材料研發(fā)與應用日益受到關注。據(jù)報道，在2012年10月舉行的增量制造產(chǎn)業(yè)高端論壇暨激光燒結(jié)裝備發(fā)布會上，華曙高科與全球知名激光燒結(jié)粉末材料銷售商美國3D Link公司就激光燒結(jié)材料應用開發(fā)項目簽訂合作協(xié)議，以期開發(fā)出高性能激光燒結(jié)粉末材料。近期成立的飛而康快速制造科技有限責任公司、海源3D打印制造實驗室等單位也都把增材制造材料開發(fā)列為明確目標。

5) 充分利用網(wǎng)絡平臺，大力發(fā)展遠程增材再制造。據(jù)外媒報導，近期，美國陸軍研究實驗室和普渡大學開發(fā)出一種新型3D打印技術，能夠幫助部署在不同位置的士兵對裝備(如飛機、汽車)零部件進行遠程修復，提高軍事裝備效率并大幅降低維護成本[27]。目前，國內(nèi)已出現(xiàn)專業(yè)的網(wǎng)絡3D打印服務平臺，但關于遠程3D打印再制造的信息還尚無報道。

4 結(jié)束語

將增材制造技術應用于裝備損傷零部件的再制造中，可以大幅節(jié)約成本，降低軍隊裝備備用件的庫存量，節(jié)省國防開支，對大幅提升損傷裝備零部件的快速精確保障響應速度、促進戰(zhàn)斗力的再生、改善軍隊戰(zhàn)備狀態(tài)具有重要的意義。隨著增材制造技術的發(fā)展與成熟，其在國防科技中的應用前景將更加廣闊，同時帶來更高的軍事效益和經(jīng)濟效益。

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