羅大成,劉延飛,王照峰,劉志國,王秋妍

(1.火箭軍工程大學理學院，陜西 西安 710025；2.中國人民解放軍75833部隊，廣東 廣州 510510；3.火箭軍工程大學科研部，陜西 西安 710025；4.火箭軍工程大學三系，陜西 西安 710025)

3D打印技術在武器裝備維修中的應用研究

羅大成1,2,劉延飛1,王照峰3,劉志國4,王秋妍1

(1.火箭軍工程大學理學院，陜西 西安 710025；2.中國人民解放軍75833部隊，廣東 廣州 510510；3.火箭軍工程大學科研部，陜西 西安 710025；4.火箭軍工程大學三系，陜西 西安 710025)

21世紀初期，3D打印技術在金屬零部件制造的應用取得了重大突破，并開始應用于飛機、火箭等裝備部分零部件的制造，這為該技術在武器裝備維修中的應用提供了契機。為了探討3D打印技術在武器裝備維修中的應用，介紹了國內外3D打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理及其分類。總結了目前公開發(fā)布3D打印機采用材料的種類及打印產品的最大尺寸，現(xiàn)有3D打印技術制作的零部件的最大尺寸可達立方米級，可以滿足武器裝備絕大部分零部件的制作需求。分析了目前武器裝備維修存在的問題，以及3D打印技術在裝備維修中應用的優(yōu)勢。探討了3D打印技術在裝備維修中的應用，包括在復雜結構件中、組合件一體化成型和復雜結構件維修中的應用，以及實物備份和3D打印設備相結合的新型保障模式，并總結了3D打印技術在裝備維修應用中需要解決的技術問題。研究表明，3D打印技術在武器裝備維修方面具有廣闊的應用前景。

航空航天； 智能制造； 3D打印； 增材制造； 快速成型技術； 一體化成型； 發(fā)動機

0 引言

3D打印技術的專業(yè)術語為“快速成型技術”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[1]。理論上只要有3D模型電子設計圖紙及打印材料，就可以根據(jù)需要，采用3D打印技術快速制造出各種部件。因此3D打印技術被廣泛應用于小批量和復雜零部件的制造，在武器裝備研制、制造和維修以及戰(zhàn)場搶修等方面具有廣闊的應用前景。

近年來，3D 打印技術在我國日益受到重視。其關鍵技術研究不斷取得突破，性能不斷提升，在軍民用領域的應用取得重要進展[1]。這些都為3D打印技術在我國武器裝備維修中的應用提供了契機。本文主要初步探討3D打印技術在我國裝備維修中的應用優(yōu)勢及可能的應用領域。

1 3D打印技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術的研究始于1892年J.E.Blanther提出疊層制造原理[2]，然而受限于打印材料和打印方法，3D打印技術的發(fā)展一直比較緩慢。直到20世紀80年代，3D打印的新方法不斷涌現(xiàn)并逐步成熟、材料不斷豐富，使得3D打印技術開始飛速發(fā)展，各種3D打印原理樣機不斷出現(xiàn)。3D打印產品被廣泛應用于食品、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天等多個領域，可以制造食品、骨骼、器官、飛機起落架、火箭發(fā)動機噴嘴、太空基地等多種產品[3]。從2010年開始，各大國紛紛制定了發(fā)展3D打印技術的計劃或政策，大量企業(yè)進入3D打印領域，初步形成了3D打印技術發(fā)展的產業(yè)鏈。

從20 世紀 70 年代末至今，3D打印技術的發(fā)展大致經歷了概念階段、實驗室階段、萌芽階段、培育階段和發(fā)展階段這五個階段[2-3]，其發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 3D打印技術發(fā)展歷程示意圖

近年來，3D打印技術在金屬零部件的制造上取得了很大進展，各大國紛紛開始探討其在武器裝備制造與維修中的應用，如美國NASA某型火箭采用3D打印制造的點火裝置通過點火試驗，美國的F22戰(zhàn)斗機以及我國的殲-15、殲-31均采用了3D打印技術制造的零部件。美國還于2012 年和2013 年部署了兩個基于3D 打印技術的移動遠征實驗室，驗證基于3D打印技術的裝備維修保障[1-4]，積極探索3D 打印技術在裝備維修保障中的應用。3D打印技術制造金屬零部件的工藝主要有激光燒結技術(selective laser sintering，SLS)、電子束選區(qū)熔化(electrom beam melting,EBM)、激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)[5-6]和激光直接沉積法(laser engineered net shaping， LENS)等，其發(fā)展現(xiàn)狀及歷程可參見文獻[1]、 文獻[7]～文獻[9],本文不再贅述。

根據(jù)國外公開發(fā)布的3D打印機產品，打印材料包括熱塑塑料、尼龍、特制剛性透明材料、聚丙烯、橡膠材料、高性能復合材料、光敏樹脂、鋁粉、玻璃纖維、碳纖維、不銹鋼、鈷鉻鉬合金、模具鋼、鈦合金、純鈦和鎳基合金等，涵蓋了目前絕大部分工業(yè)產品采用的材料類型，基本可以滿足目前工業(yè)產品的制造需求。目前采用特制尼龍絲材為原材料的3D打印機代表產品主要有美國Stratasys公司生產的Fortus 900mc，其3D打印產品的規(guī)格可達(2 772×1 683×2 281)mm；采用光敏樹脂為原材料的3D打印機代表產品主要有德國envisontec公司生產的Perfactory Xtreme，其3D打印產品的規(guī)格可達(2 560×3 200×1 600)mm；采用不銹鋼、鈦合金等金屬材料為原材料的3D打印機代表產品主要有德國EOS GMBH公司生產的EOS M280，其3D打印產品的規(guī)格可達(2 200×1 070×2 290)mm。由此可見，3D打印技術制作的零部件的尺寸可達立方米級，能夠滿足武器裝備絕大部分零部件的制作需求。

2 3D打印技術在武器裝備維修中應用的優(yōu)勢

2.1 武器裝備維修現(xiàn)狀分析

武器裝備在使用過程中，不可避免會出現(xiàn)由于零部件損壞或失效造成的故障。目前對于零部件故障的維修，大多采用備份零部件對損壞零部件進行替換的方式進行裝備維修。這種裝備維修模式，雖然可以在武器裝備發(fā)生零部件故障時快速維修，保持和恢復武器裝備的性能，但是仍然存在如下問題[10-12]。

①保障過量。武器裝備通常為高科技裝備，且武器系統(tǒng)組成復雜，使用的零部件也成千上萬。武器裝備的高科技特性意味著隨著科學技術的進步和發(fā)展，其更新?lián)Q代也較快。一旦武器裝備退出現(xiàn)役，該裝備的零備件也隨之報廢。如果所有的零部件都存在大量實物備份，可能會出現(xiàn)在武器裝備服役到退役的有限時間里，大量備份零部件因從未得到使用而大量浪費。

②保障不足。武器裝備使用零部件種類繁多，各種零部件的使用時間以及出現(xiàn)故障的概率各不相同，尤其是在戰(zhàn)場上，各種零部件損壞的情況更加難以預測。如果所有的零部件都按相同的數(shù)量進行備份，則可能出現(xiàn)部分零部件存在較大富余、部分零部件卻不夠用的情況。

③保障效率不高。武器裝備使用的零部件數(shù)量巨大、種類繁多，不可能將所有的零部件都攜帶至武器裝備使用場地，且采用人工在大量的零部件中找到所需的備份零部件，時間難以得到保證。如果武器裝備的某些零部件出現(xiàn)故障，而現(xiàn)場找不到備用零部件進行替換，或者不能及時進行損壞零部件的更換，都有可能影響武器的使用。

④維修工藝要求較高。現(xiàn)代武器裝備使用的零部件，絕大部分對維修工藝較高的要求，需要專用維修設備，有的零部件還需要專用的維修工具和專業(yè)的技術人員。

2.2 應用3D打印技術的優(yōu)勢

將3D打印技術應用于裝備維修，則能夠解決傳統(tǒng)裝備維修保障存在的幾大問題，具體如下。

①解決保障過量和保障不足問題。在未來戰(zhàn)爭中，一旦武器裝備出現(xiàn)零部件損傷，利用3D 打印技術可以直接在戰(zhàn)場上把所需要的零部件“打印”出來，從而及時、精確地完成受損裝備的維修保障，快速恢復作戰(zhàn)能力。

②解決裝備維修效率不高的問題。在裝備維修中應用3D 打印技術，可以將攜帶實物零部件轉換為攜帶3D打印機和打印材料，從根本上解決了難以攜帶全部備份零部件的問題；還可以將所攜帶零部件實物轉換為計算機數(shù)據(jù)庫中3D模型數(shù)據(jù)，使裝備維修的針對性將更加明確，裝備維修的速度將得到較大的提高。

③解決復雜零部件生產周期長的問題[12]。從3D設計到零件的加工完成只需幾小時到幾十小時，整個生產過程數(shù)字化，可隨時修正、隨時制造。3D打印的過程與零部件的復雜程度無關，是真正的自由制造。對于一些結構復雜零部件的制造，采用3D打印技術后生產周期明顯縮短。

④彌補裝備維修設備建設滯后的現(xiàn)狀，提升保障能力。武器裝備技術含量高，維修工藝要求更高，較多零部件的維修需要專用的維修設備和維修工具。但是有些修理廠或維修廠因為相應的修理設備、工具跟不上發(fā)展需求，所以在具體組織、實施裝備保障上有一定難度，這在一定程度上影響和制約著武器裝備維修保障能力的提高。采用3D打印技術，通過預先準備零部件的3D模型數(shù)據(jù)，維修人員不僅可以直接制造出所需的零部件，還可以借助網絡和生產廠家聯(lián)系，獲得維修工具的相關數(shù)據(jù)資料，并現(xiàn)場打印維修所急需的維修工具；必要時，還可由后方設計人員根據(jù)前線維修需求臨時設計新的維修工具，改善裝備維修設備建設滯后的現(xiàn)狀，提升保障能力。

3 3D打印技術在武器裝備維修中的應用初探

3.1 在結構件生產中的應用

采用3D打印技術，可以在戰(zhàn)場環(huán)境中對損壞武器裝備進行直接制作。目前，我國采用3D打印技術制作零部件的應用實例如表1所示[13-15]。

表1 國內3D打印零部件應用實例

我國還研制成功了目前世界上最大成形空間的快速制造裝備，即1.2 m×1.2 m的“立體打印機”(基于粉末床的激光燒結快速制造裝備)。該3D打印機尤其適合動力裝備、航空航天、汽車等高端產品上的關鍵零部件制造，如空心渦輪葉片、渦輪盤、發(fā)動機排氣管、發(fā)動機缸體和缸蓋等[16]。

2015年7月，在北京舉辦的“國防科技工業(yè)軍民融合發(fā)展成果展”中，北京航空航天大學的展板介紹了近50件3D打印的大型關鍵鈦合金、超高強度鋼構件。這些構件通過了大型客機、大型運輸機、艦載機、新型火箭等裝備的動強度、靜強度、疲勞壽命、震動、沖擊等全尺寸零件試驗測試。

由以上國內應用實例可以看出，3D打印技術制備的零部件滿足航空航天裝備的使用要求。由此可以推斷，武器系統(tǒng)中復雜的零部件完全可能采用3D打印技術進行制作。

3.2 在組合件一體化成型中的應用

零部件的組裝是航空、航天制造產業(yè)需要重點考慮的問題。一般而言，產品的組成部件越多，組裝耗費的時間和成本就越高。

3D打印技術能實現(xiàn)零部件一體化成型，省去了零部件組裝的麻煩。如民用航空發(fā)動機LeapX的一些關鍵組合件(包括燃油噴嘴)就是通過3D打印技術制造的。若采用傳統(tǒng)生產工藝，制造1個燃油噴嘴，需要生產20多個零部件并進行組合，而采用3D打印技術可以一體化成型制造，且制造出的產品和傳統(tǒng)工藝生產的同類產品相比，質量減輕了25%，使用壽命也延長了將近5倍。由此可見，采用3D打印技術進行部分組合件的一體化成型制造，可以降低制造成本及維護成本。武器裝備中存在大量的組合零部件，這些零部件也可以考慮采用3D打印技術進行一體成型制造。

3.3 在結構件維修中的應用

3D打印技術的一個顯著優(yōu)點，就是可以根據(jù)零部件的3D數(shù)字模型，對老舊或損傷零部件進行維修與工裝。目前，國內外已經有采用3D打印技術對復雜結構件進行維修的實例，如表2所示[17-21]。

表2 國內外采用3D打印技術維修復雜零部件實例

由表2所示的成功維修案例可知，3D打印技術也完全可以應用于武器系統(tǒng)受損部件維修。基于3D打印技術，一些特制的3D打印機則可根據(jù)相應3D建模技術中所存儲的完好零件的形狀與尺寸，對武器裝備損傷部分進行噴印修復。對于磨損程度未達到更換標準的備用件，諸如磨損的軸承、發(fā)射車輪胎部件，也可以通過3D打印技術進行小范圍的修補，大大降低更換零部件的成本。

3.4 新型保障模式探討

武器裝備的常用備份零部件種類繁多，以某型武器裝備為例，該型武器的備附件及配套工具主要有以下十大類：①各種裝備、車體；②各種面板、架體、支桿；③防塵蓋、藥盒蓋、接頭堵蓋、裙保護蓋等金屬蓋；④各種閥門；⑤傳動箱和軸套；⑥驅動軸；⑦各種軟硬導管(氣、液管路)；⑧各種連接線；⑨各種輪胎、車輪；⑩各種密封件、螺釘、墊片等。

這十大類的零部件中，有一些結構簡單、體積較小，且目前對應的傳統(tǒng)工藝有較強制造能力，如架體、支桿、連接線、螺釘和墊片等，這類零部件采用實物備份比較合適。而另一些結構復雜、尺寸較大且需要專門車間才能制造的零部件，如車體、防塵蓋等各種金屬蓋、傳動箱和軸套以及驅動軸等，可能采用3D打印技術進行制造的成本更低、制造時間更短、需要的配套設施更少。因此，武器裝備的維修模式可以考慮采用實物備份和3D打印設備備份相結合的模式。

3.5 需要解決的技術問題

就目前國內外3D打印機產品的制備能力而言，在裝備維修中應用3D打印技術仍需要解決以下問題。

①備份零部件的3D數(shù)字模型。目前備份零部件都是以實物的形式進行備份，各種零部件的材料也是以紙質圖紙為主。若采用3D打印技術進行制造，必需制作零部件的3D數(shù)字模型。

②零部件材料的通用性分析。裝備的零部件種類繁多，涉及的材料也多種多樣。有些零部件的材料可以通用，如各種螺釘有以特種鋼為材料的，也有以合金為材料的，只要性能指標如靜強度、動強度、疲勞壽命、沖擊、震動等參數(shù)接近，即可以通用或者統(tǒng)一采用性能更佳的材料。采用通用化分析，可以減少3D打印機的數(shù)量和打印材料的種類。

③3D打印機的優(yōu)化配置。3D打印產品的最大尺寸取決于3D打印設備的尺寸，需要制造零部件產品的尺寸越大，則采用的3D打印設備也就越大。就國內的3D打印設備而言，若需要制備或修復長寬高分別達到納米級的復雜零部件，則需要類似國家3D打印實驗中心的一整套設備；若需要制造的零部件的長寬高均為分米級，則采用市場上銷售的3D打印機即可滿足要求。同時，由于3D打印的原理各不相同，每臺3D打印設備可使用的原材料的種類有限。這就存在一個優(yōu)化配置的問題，即如何采用最小尺寸配置的3D打印機、最少數(shù)量的3D打印機以及最少種類的打印材料，滿足絕大部分武器裝備零部件的制造要求。這需要大量零部件性能測試的試驗數(shù)據(jù)作為支撐。

4 結束語

目前，3D打印技術正處于飛速發(fā)展階段。 3D打印材料的種類正在逐步增加，特別是復雜金屬材料的3D打印取得了較大突破，其產品的性能也在穩(wěn)步提升。由公開的報告可以看出，3D打印產品的各種性能已經接近于目前鍛造的同類零部件。3D打印的速度也在逐步加快，特別是一些復雜金屬零備件，其制備速度快于傳統(tǒng)制造的速度?？梢灶A見，在不久的將來，將3D打印技術應用于裝備維修是完全可能實現(xiàn)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

羅大成(1981—)，男， 博士，講師,主要從事3D打印應用技術、導航、制導與控制等方向的研究。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