呂金建 ,賈長治, 楊建春

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊　050003；2.南通理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通　226002)

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使備件現(xiàn)場制造成為現(xiàn)實(shí)，豐富了裝備維修的方法，對于推動武器裝備維修的發(fā)展具有重要意義[1-2]。美軍早在2012年在阿富汗戰(zhàn)場上部署了一套“快速制造系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由2個車載方艙組成，一個方艙裝載一臺激光近成形設(shè)備，另一個方艙則裝載一套5軸“多功能數(shù)控機(jī)床”[3]。該快速制造系統(tǒng)主要用于為美軍駐阿富汗部隊提供裝備備件，極大地提高了裝備維修效率并減少了備件運(yùn)輸費(fèi)用。

3D打印技術(shù)采用粉末或絲狀材料逐層堆積的方法進(jìn)行零件的成形，與材料“去除法”相比，3D打印能大大縮短生產(chǎn)周期，減少鑄模的成本，而且具有較高的柔性、適應(yīng)性及減少材料浪費(fèi)等特點(diǎn)[4-5]。目前世界上應(yīng)用較廣泛的金屬3D打印技術(shù)主要有4種，分別為選區(qū)激光熔化技術(shù)(SLM)、激光立體成型技術(shù)(LSF)、電子束選區(qū)熔化技術(shù)(EBSM)和電子束熔絲沉積技術(shù)(EBFFF)。其中SLM技術(shù)成型精度最高，可成型高度復(fù)雜零件，成型出的零件最接近最終裝配件，后期加工少[6-8]。因此筆者采用SLM技術(shù)進(jìn)行應(yīng)急制造研究。

3D打印并非萬能，結(jié)構(gòu)簡單、體積較小的備件易于成形且制造成功率高、所需時間短，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大的不僅耗時長且成形成功率難以保證。武器裝備上零件數(shù)量巨大，難以全部制造出來驗(yàn)證其是否可以采用3D打印技術(shù)進(jìn)行應(yīng)急制造，因此筆者提出裝備備件應(yīng)急制造性并建立裝備備件應(yīng)急制造性評價模型。應(yīng)急制造性的含義為備件在規(guī)定時間內(nèi)通過3D打印技術(shù)和其他后加工手段被制造出來，并達(dá)到預(yù)定性能的能力。

應(yīng)急制造受到技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、時間以及需制造零件所需性能等多種因素的影響，其中有定性也有定量因素，并且具有明顯的層次性。為提高評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者基于模糊綜合評判法對備件應(yīng)急制造性進(jìn)行評價。

1　備件應(yīng)急制造性評價指標(biāo)體系的建立

針對備件應(yīng)急制造的特點(diǎn)和受到的約束，筆者選取技術(shù)性A1、成形件性能A2、成形時間A3、經(jīng)濟(jì)性A44個一級指標(biāo)及材料可成形性等10個二級指標(biāo)對備件可應(yīng)急制造性進(jìn)行評價，評價指標(biāo)體系如圖1所示。

1.1　技術(shù)性

技術(shù)性是指備件進(jìn)行應(yīng)急制造是否在3D打印和精加工技術(shù)方面可行。根據(jù)戰(zhàn)場應(yīng)急制造的條件，選取以下指標(biāo)加以衡量：

1)材料可成形性。不同材料的熔點(diǎn)、成分和對激光的利用率不同，因此成形質(zhì)量和成形效率存在較大區(qū)別。材料可成形性越高，則能達(dá)到的最大成形效率值也就越高，成形質(zhì)量更好，且易于控制，成形成功率也越高。

2)零件復(fù)雜程度。SLM技術(shù)可一次性成形復(fù)雜零件，但往往需要加入支撐，否則所成形零件變形嚴(yán)重，甚至無法成形，從而影響到備件制造的成功率。戰(zhàn)場搶修時間短，任務(wù)重，且戰(zhàn)場上需要現(xiàn)場制造的零件可能遠(yuǎn)不止一個，從全局考慮，該指標(biāo)具有重要意義。

3)后期加工量。SLM技術(shù)成形的零件一般需要少量的機(jī)加工才能安裝使用。不同零件需要加工的精度、工作量及難度不同，且技術(shù)人員對加工掌握熟練程度存在差異，因此精加工所需時間有可能占用較多，且難以估計。因此該指標(biāo)采用定性分析法進(jìn)行分析。

1.2　成形件性能

SLM技術(shù)成形件的質(zhì)量和性能是決定能否進(jìn)行應(yīng)急制造的關(guān)鍵因素?？剂苛慵阅軆?yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)是力學(xué)性能。為了便于評價，筆者選取力學(xué)性能中的硬度、強(qiáng)度和韌性作為二級指標(biāo)。目前所用材料經(jīng)SLM技術(shù)成形后力學(xué)性能難以超過炮鋼的力學(xué)性能，為了便于歸一化處理，采用力學(xué)性能滿足度來定義指標(biāo)。由于戰(zhàn)場搶修時間緊迫，在搶修中多以達(dá)到作戰(zhàn)的部分性能為目的，因此應(yīng)急制造的備件不一定必須到達(dá)全壽命水平。

各零件的工況、失效形式不同，因此對材料要求也就有所差異。選區(qū)激光熔化所成形零件難以滿足各項力學(xué)性能要求，因此在對力學(xué)性能進(jìn)行評價時，采用與性能要求進(jìn)行對比的方式來計算力學(xué)性能滿足程度。對于對某力學(xué)性能要求極低的零件，令其力學(xué)性能滿足程度為100%。

1.3　成形時間

成形時間是決定是否進(jìn)行應(yīng)急制造的決定性因素。目前國內(nèi)外尚未開發(fā)出能夠準(zhǔn)確計算成形時間的軟件，對打印時間的估計多憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行粗略計算，這種方式往往誤差較大。在實(shí)際制造零件時往往需要添加一部分支撐，支撐的添加不規(guī)則，添加量沒有明確規(guī)定，進(jìn)一步增加了計算成形時間的難度。在成形工藝相同的條件下，制造時間主要取決于待成形備件的體積、最大成形高度。

1)成形備件總體積決定激光掃描總長度，在相同工藝條件下體積越小，激光掃描總長度越短，所用時間越少。

2)最大成形高度決定鋪粉次數(shù)，SLM技術(shù)中鋪粉是一個重要步驟，鋪粉效果的優(yōu)劣影響到成形質(zhì)量的優(yōu)劣，筆者所用設(shè)備鋪粉時間長達(dá)6.8 s，所以不能忽略不計。

1.4　經(jīng)濟(jì)性

1)制造成本比。由于金屬粉末制備較困難且效率較低，因此金屬粉末的成本較高，普通的不銹鋼粉末價位在200～800元/kg之間，性能較好的工具鋼粉末價位可超過1 000元/kg。而普通的鋼材一般幾千元可以買到1 t，可見3D打印制造成本之高。為了便于比較，選用3D打印與傳統(tǒng)制造同一零件的成本比值為指標(biāo)。

2)設(shè)備損耗。不同材料對設(shè)備的損耗不同，含碳量越高的材料，對設(shè)備的損耗越大。尤其在設(shè)備長時間工作后，過濾網(wǎng)易發(fā)生堵塞，成形艙內(nèi)氣體循環(huán)變差，且密閉環(huán)境下全透鏡難免被氧化產(chǎn)生的煙污染。過濾網(wǎng)堵塞會加快全透鏡的污染，全透鏡污染嚴(yán)重時，透光性變差，照射到粉末上的激光能量減少，如此不僅影響成形質(zhì)量，而且極易造成全透鏡炸裂。目前設(shè)備損耗難以進(jìn)行量化，因此現(xiàn)階段只能根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)對設(shè)備損耗進(jìn)行定性分析。

2　火炮備件應(yīng)急制造性評價模型建立

2.1　模糊綜合評判

模糊綜合評判[9]就是基于模糊數(shù)學(xué)，對受到多種因素制約的事物，把界限模糊、難于定量的因素定量化，而后對其進(jìn)行綜合評判。

建立因素集U={u1,u2,…,un}，評判集V={v1,v2,…,vs}。設(shè)R為U到V的評判矩陣，則

(1)

式中,rij為對U的第i個因素ui進(jìn)行評判，對于評判集V中第j個元素vj的隸屬度。

對U中各因素賦權(quán)，它可表示為U的一個模糊子集W={w1,w2,…,wn}，且∑wi=1,i=1,2,…,n。在R與W求出之后，則綜合評判數(shù)學(xué)模型為S=W°R。

2.2　模糊隸屬度計算

2.2.1隸屬度函數(shù)

矩陣R中元素rij表示某個被評事物從因素ui來看對vj等級模糊子集的隸屬度，設(shè)隸屬度函數(shù)為線性函數(shù)，其表達(dá)式如下：

其中j=1,2,…,m,當(dāng)j=1時，

(2)

當(dāng)j=2,3,…時，

(3)

當(dāng)j=m時，

(4)

式中：xi為第i個指標(biāo)的實(shí)測值；v(j)為分級代表值。

2.2.2評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

評價標(biāo)準(zhǔn)代表一個密度區(qū)間，即分級代表值vj[10]。備件應(yīng)急制造性分級代表值的界限確定比較模糊，因此，在vj不能明確標(biāo)出的情況下，可采用參考值代替分級代表值。根據(jù)備件應(yīng)急制造現(xiàn)狀，將各應(yīng)急制造性劃分5個評價等級(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，如表1所示。

表1　備件應(yīng)急制造性評價等級

2.2.3模糊隸屬度的確定

根據(jù)表1的分級情況和應(yīng)急制造現(xiàn)狀，對所研究的10個單項指標(biāo)進(jìn)行分析，得出結(jié)果如表2所示。對于定性指標(biāo)的模糊隸屬度可根據(jù)專家打分法獲得，對于定量指標(biāo)的模糊隸屬度可根據(jù)表2和式(2)～(4)計算得到。確定各指標(biāo)的模糊隸屬之后便可得到二級指標(biāo)對各自一級指標(biāo)的模糊判斷矩陣Rk，k=1,2,3,4。

表2　備件應(yīng)急制造性評價指標(biāo)各級別標(biāo)準(zhǔn)的分級代表值

2.3　指標(biāo)權(quán)重求解

運(yùn)用層次分析法(AHP)[11]和專家打分法來確定權(quán)重向量 。AHP指數(shù)標(biāo)度[12]如表3所示。

表3　層次分析法的指數(shù)標(biāo)度及其含義

構(gòu)造備件應(yīng)急制造性A與下層指標(biāo)的判斷矩陣為

通過計算得CR=0.015<0.1，滿足一致性要求，求得權(quán)重向量為W=(0.46，0.28，0.16，0.1)。

同理可求得各一級指標(biāo)下二級指標(biāo)的權(quán)重向量如下:

W1=(0.42,0.23,0.35)

W2=(0.54,0.29,0.17)

W3=(0.6,0.4)

W4=(0.8,0.2)

2.4　備件應(yīng)急制造性評價模型

筆者所建模型為二級綜合評判數(shù)學(xué)模型[13]，其表達(dá)式為：

(5)

式中,“°”為模糊合成算子，采用M(·,⊕)加權(quán)平均型算子進(jìn)行計算。

為了充分利用綜合評判提供的信息，直觀的反映出備件應(yīng)急制造性，引入等差法設(shè)定評價分級標(biāo)準(zhǔn)，建立備件應(yīng)急制造評價標(biāo)準(zhǔn)分值函數(shù)：

K=(100,80,60,40,20)T

根據(jù)以上結(jié)果可得應(yīng)急制造性評價得分為：

F=S·K

(6)

3　實(shí)例分析

現(xiàn)以某型火炮撥動子為例進(jìn)行實(shí)例分析，該零件的主要作用是帶動擊針壓縮彈簧儲存擊發(fā)能量，其失效形式主要為磨損失效。撥動子的三維模型如圖2所示，支撐設(shè)計如圖3所示。

本文試驗(yàn)所用設(shè)備為廣東信達(dá)雅三維科技有限公司生產(chǎn)的DiMetal-50，成形材料為17- 4PH不銹鋼。各評價指標(biāo)實(shí)際值根據(jù)成形設(shè)備、成形材料以及撥動子特征而定，各指標(biāo)值如表2中撥動子實(shí)際值一欄所示。

將表2中的實(shí)際值及各分級代表值代入式(2)～(4)可計算得到各定量指標(biāo)的模糊隸屬度，對于定性分析的指標(biāo)其隸屬度由專家打分確定，結(jié)果如表4所示。

表4　各指標(biāo)模糊隸屬度

根據(jù)表4即可得到技術(shù)性、成形件性能、成形時間、經(jīng)濟(jì)性各指標(biāo)的模糊判斷矩陣，代入式(5)和(6)計算得到撥動子的應(yīng)急制造性評價得分為87.1分，評價等級為優(yōu)。

為了驗(yàn)證備件應(yīng)急制造性評價模型的準(zhǔn)確性，筆者進(jìn)行了SLM技術(shù)成形撥動子的試驗(yàn)，成形的撥動子如圖4所示，成形所用時間為80 min，用時較短，經(jīng)過少量加工后能夠安裝到炮閂上并發(fā)揮其功能。試驗(yàn)證明該撥動子的制造性較優(yōu)秀，與評價結(jié)果一致，因此該試驗(yàn)結(jié)果證明備件應(yīng)急制造性評價模型較為準(zhǔn)確。

4　結(jié)束語

筆者基于模糊綜合評判法，充分利用試驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果和專家經(jīng)驗(yàn)，將影響備件應(yīng)急制造性的主要指標(biāo)進(jìn)行量化，得到模糊隸屬度矩陣，并運(yùn)用AHP法確定這些指標(biāo)的相對權(quán)重，引入評價分級標(biāo)準(zhǔn)，最后通過一系列計算得到備件應(yīng)急制造性評價得分。用直觀的數(shù)字來表達(dá)裝備備件的應(yīng)急制造性，對于戰(zhàn)場搶修中應(yīng)急制造備件具有一定的參考價值。

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，3D打印技術(shù)的精度越來越高、速度越來越快，備件應(yīng)急制造的效率也會隨之提高，適合進(jìn)行應(yīng)急制造的零件也越來越多。本文大多數(shù)指標(biāo)隸屬度的確定需依據(jù)3D打印設(shè)備的性能而定，因此筆者所建立的評價模型同樣適用于其他3D打印設(shè)備。

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