羅恒

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

艦船裝備保障的現(xiàn)有方式基本上是以換新為主。然而，當(dāng)艦船遠(yuǎn)離基地執(zhí)勤時(shí)，現(xiàn)有保障方式便顯得難以為繼，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)所攜帶的備件無(wú)法使用或者有用備件沒有攜帶的情況。一旦如此，唯有通過周轉(zhuǎn)途徑從國(guó)內(nèi)或基地調(diào)運(yùn)，但需要的周期較長(zhǎng)，尤其是在戰(zhàn)時(shí)，戰(zhàn)機(jī)可能稍縱即逝，從而嚴(yán)重影響艦船的作戰(zhàn)能力?？梢姡F(xiàn)有應(yīng)急保障能力尚不能完全滿足艦船裝備出現(xiàn)突發(fā)故障時(shí)的維修要求。增材制造（additive manufacturing，AM）也稱3D打印，是一種采用數(shù)字化建模、數(shù)字化制造的快速成型技術(shù)，適用于艦船遠(yuǎn)洋執(zhí)勤條件下快速制造和維修（rapid manufacturing and repairing,RMR）受損裝備零件的需要，可快速恢復(fù)裝備零件的使役性，對(duì)于高科技條件下的戰(zhàn)爭(zhēng)具有重要意義。

基于船用的快速成型修復(fù)技術(shù)及其裝備，可以充分發(fā)揮先進(jìn)制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，克服傳統(tǒng)保障方式及裝備制造方面的不足，在船舶建造、維修保障領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊[1-3]，所以對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用研究尤顯重要。鑒于此，國(guó)外先進(jìn)國(guó)家已在大力支持和推廣RMR技術(shù)及其裝備的研發(fā)應(yīng)用。例如，美國(guó)海軍水下戰(zhàn)中心（NUWC）通過實(shí)施RMR計(jì)劃，運(yùn)用增材制造工藝生產(chǎn)UH-60通用直升機(jī)的門把手并獲得成功，為此節(jié)省了140萬(wàn)美元的制造成本；2011年，美國(guó)陸軍將3D打印移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室（基于MPH平臺(tái)系統(tǒng)）在阿富汗投入實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，用于為士兵現(xiàn)場(chǎng)制造工具及其他設(shè)備；2013年10月，歐洲航天局啟動(dòng)了總額2 000萬(wàn)歐元、以零浪費(fèi)和高科技金屬產(chǎn)品有效生產(chǎn)為目標(biāo)的研發(fā)應(yīng)用項(xiàng)目；2017年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)與辛辛那提公司聯(lián)合研制的巨型FDM 3D打印機(jī)制造出了美海軍首例小型無(wú)人潛航器（艇長(zhǎng)不到10 m）的殼體[4-8]。

我國(guó)在RMR技術(shù)研究應(yīng)用領(lǐng)域也獲得了一批重要研究成果。例如，陸軍裝甲兵學(xué)院在項(xiàng)目支持下獲得了很好的技術(shù)積累，西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)和海軍工程大學(xué)等也做了大量研究，西安交通大學(xué)的“十二五”預(yù)研成果還參加了第2屆軍民融合成果展[9-10]。然而，現(xiàn)階段利用RMR技術(shù)制造修復(fù)艦船裝備的金屬零件仍處于研究、試用和評(píng)估階段，距離裝備零件按需維修保障的要求尚存在較大差距。

因此，為了滿足我國(guó)遠(yuǎn)海、遠(yuǎn)洋或戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急條件下艦船裝備保障的需求，提升作戰(zhàn)和維修保障能力，實(shí)現(xiàn)損傷零件現(xiàn)場(chǎng)“壞中修好”以及實(shí)戰(zhàn)條件下艦船編隊(duì)裝備備件的伴隨保障[11]，本文將針對(duì)現(xiàn)有裝備保障模式，開展研究設(shè)計(jì)船用快速成型修復(fù)技術(shù)及裝備。

根據(jù)現(xiàn)有艦船裝備維修保障現(xiàn)狀，本文擬提出艦船裝備的快速成型裝備集成技術(shù)，針對(duì)裝備可數(shù)值化的模型管理及其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，研究損傷區(qū)域高適應(yīng)性快速三維建模及零件數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)；基于船用裝備的材質(zhì)設(shè)計(jì)制備相應(yīng)材料，開展艦用環(huán)境下快速成型修復(fù)的形性協(xié)同調(diào)控、移動(dòng)式快速成型裝備集成和艦船裝備零件修復(fù)后處理等關(guān)鍵技術(shù)研究，以研制出高適應(yīng)性、可快速組配的移動(dòng)式快速成型裝備。

1 快速成型技術(shù)及其流程

1.1 快速成型技術(shù)

快速成型（rapid prototyping，RP）也稱增材制造，是CAD直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀的三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱，也是“十大顛覆性技術(shù)”之一，被譽(yù)為將帶來(lái)“第三次工業(yè)革命”的技術(shù)。快速成型技術(shù)可以快速打印以及按需制造零件，已成功并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[12]。該技術(shù)采用離散/堆積成型的原理，由計(jì)算機(jī)三維立體模型（或稱CAD實(shí)體模型）經(jīng)過單一加工過程快速制造出形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實(shí)體模型。圖1所示為采用快速成型技術(shù)的基本過程。其中，前3個(gè)階段為通過計(jì)算機(jī)中信息處理的分解過程，后3個(gè)階段為成型設(shè)備中堆積成型的組合過程。

圖 1 快速成型的基本過程Fig.1 Basic process of rapid prototyping

鑒于增材制造所具備的高度柔性及快速性的特點(diǎn)極為符合現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下對(duì)快速精準(zhǔn)保障能力的要求，因此在軍用制造領(lǐng)域，增材制造技術(shù)應(yīng)用受到了各國(guó)高度重視。美國(guó)已將快速成型技術(shù)成功應(yīng)用于軍工制造，研制出了可供戰(zhàn)場(chǎng)使用的高柔性現(xiàn)場(chǎng)零件制造系統(tǒng)。我國(guó)也早就對(duì)快速成型技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得了一批重要研究成果，實(shí)現(xiàn)了損傷零件現(xiàn)場(chǎng)“壞中修好”的目標(biāo)。然而，總體而言，該技術(shù)在裝備保障領(lǐng)域的研究應(yīng)用尚處于初級(jí)階段。

1.2 研究思路及方案

快速成型技術(shù)既適合于鈦合金等高溫?fù)p傷零件的快速修復(fù)，也適合于未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中裝備維修保障的快速反應(yīng)，以及高附加值零件再制造的要求。根據(jù)艦船裝備維修保障的具體需求，本文梳理了艦船及其裝備特點(diǎn)，基于硬件、軟件、工藝和材料需求，進(jìn)一步細(xì)化研究?jī)?nèi)容，制定了詳細(xì)的研究路線，擬定出了修復(fù)應(yīng)用并評(píng)價(jià)修復(fù)結(jié)果的具體思路及方案[3]，如圖2所示。

由圖可見：在艦船設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師需要考慮成型技術(shù)裝備所需要的氣源，例如氮?dú)猓∟2），機(jī)修間可儲(chǔ)備常規(guī)的Cr，Ni，Mo，Ti，Al，F(xiàn)e等金屬粉末，以便根據(jù)不同材質(zhì)的金屬零件配置相應(yīng)的材料粉末來(lái)快速成型制造。因此，為了實(shí)現(xiàn)快速成型制造所需的氮?dú)鈿庠矗O(shè)計(jì)艦船時(shí)需要將氮?dú)鈿馄渴液蛪嚎s機(jī)室引入氮?dú)夤苈分恋着摰膭?dòng)力艙室，并留有調(diào)節(jié)閥和管路接口；在機(jī)爐艙冷卻水管路中，應(yīng)留有冷卻水調(diào)節(jié)閥和管路接口，以便為快速成型制造提供具有一定流量的冷卻水。此外，在機(jī)爐艙還需留有液壓管接口及閥門，以方便專用機(jī)械液壓伸縮式裝置的使用。

圖 2 總體研究方案框圖Fig.2 Block diagram of the overall research plan

2 快速成型裝備集成技術(shù)研究

2.1 高適應(yīng)性、可快速組配的移動(dòng)式快速成型裝備研究

1） 針對(duì)艦船特點(diǎn)設(shè)計(jì)可適用的成型修復(fù)設(shè)備。

圖 3 常規(guī)艙室艙門尺寸Fig.3 Door size of regular cabin

艦船常規(guī)艙門的尺寸為650 mm×1 650 mm，如圖3所示。艦船底部艙室的管路及設(shè)備繁多，安裝布置密集，維修空間狹?。恍迯?fù)設(shè)備及損傷件時(shí)在艙室的層與層間搬運(yùn)困難，對(duì)于不易拆卸的裝備零件，急需現(xiàn)場(chǎng)原位修復(fù)；快速成型修復(fù)裝備一般采用機(jī)械臂來(lái)修復(fù)，但因體積及重量的原因，機(jī)械臂無(wú)法整體進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，零件損傷無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)修理?？紤]到巡航時(shí)零件修復(fù)送粉和保護(hù)氣源的問題，為便于設(shè)備運(yùn)輸及移動(dòng)，本文所述快速成型裝備采用了高適應(yīng)性、可快速組配的移動(dòng)式裝備設(shè)計(jì)方案，克服了傳統(tǒng)成型修復(fù)設(shè)備的缺點(diǎn)，解決了實(shí)船空間有限、搬運(yùn)不便、海況環(huán)境復(fù)雜等諸多問題。該成型設(shè)備主要組成模塊包括載能束系統(tǒng)模塊、可拆卸三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊、電控箱（1 200 mm×800 mm×600 mm，重45 kg，功率20 kW）、工控機(jī)（型號(hào)MXE-5500HJ，230 mm×204 mm×90 mm，重4 kg）、送粉器（送粉管連接激光打印頭）、冷卻模塊和制氮機(jī)（大部分艦船上都有冷卻水和氮?dú)?，若有可不需此設(shè)備），以及粉塵收集系統(tǒng)模塊（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，尺寸及重量不同）等。

2） 快速拆裝成型設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

采用可拆卸三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案，各運(yùn)動(dòng)單元間由快速定位及便于拆裝的連接裝置固定。其中，x軸端部安裝電磁吸盤，以使運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定于艙壁上；y軸采用水平安裝，折疊后y軸與x軸朝向一致，折疊機(jī)構(gòu)直接采用“十字轉(zhuǎn)接板+中心轉(zhuǎn)軸”來(lái)實(shí)現(xiàn)。建立基于普通士兵為操作對(duì)象的快速成型修復(fù)裝備的拆卸、搬運(yùn)、組裝的操作規(guī)范。圖4所示為結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)方案。

圖 4 可拆卸三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案Fig.4 Removable three-axis motion scheme

3） 采用氮?dú)馑头蹖?shí)現(xiàn)快速成型修復(fù)。

快速成型修復(fù)需要送粉及保護(hù)氣源，但在巡航應(yīng)用場(chǎng)景下，艦船無(wú)法攜帶大量惰性氣體，難以滿足零件的快速成型修復(fù)需求。另外，艦船上也不具備實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)生產(chǎn)的條件，無(wú)法生產(chǎn)惰性氣體。因此，本文在設(shè)計(jì)方案時(shí)即采用制氮機(jī)制備氮?dú)庾鳛樗头奂氨Ｗo(hù)氣源，以進(jìn)行零件的快速成型修復(fù)。

4） 艦船裝備零件現(xiàn)場(chǎng)多頭更換技術(shù)研究。

由于艦船內(nèi)部空間有限且狹小，上下艙室多數(shù)沒有電梯可用，機(jī)械臂設(shè)備重量大且無(wú)法分拆固定，所以采用了直線運(yùn)動(dòng)單元的快拆方法。根據(jù)零件修復(fù)需求修改裝備可拆裝組合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。在修改過程中，不同零件的材質(zhì)需要選擇不同的工藝；零件主要以鋼質(zhì)及鋁合金材料為主，根據(jù)材料的不同，修復(fù)零件時(shí)可選用激光打印頭或者弧焊打印頭；根據(jù)不同的零件精度要求選擇不同的后處理工具頭。圖5所示為研發(fā)的一套可裝多個(gè)工作頭的方法，解決了一套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)適用于多個(gè)打印頭的問題。

圖 5 多頭快速更換示意圖Fig.5 Schematic diagram of quick replacement of multiple print heads

5） 粉塵收集系統(tǒng)模塊的開發(fā)。

艦船大型零件在線修復(fù)過程中產(chǎn)生的粉塵、碎屑飛濺會(huì)對(duì)零件裝備總成造成污染，影響零件裝備總成功能。根據(jù)流體力學(xué)原理，采用有限元方法對(duì)多種常見工況下在線快速成型修復(fù)時(shí)粉塵的流動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲得的粉塵流場(chǎng)數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，開發(fā)零件在線修復(fù)的粉塵收集系統(tǒng)模塊。

2.2 損傷區(qū)域高適應(yīng)性快速三維建模及零件數(shù)據(jù)庫(kù)研究

1） 損傷區(qū)域高適應(yīng)性快速三維建模技術(shù)。

為了給3D打印提供精確的CAD三維數(shù)模，研究便攜式高精度光學(xué)探針掃描技術(shù)、高精度相機(jī)標(biāo)定技術(shù)和高效準(zhǔn)確的三維點(diǎn)云掃描技術(shù)，獲得修補(bǔ)前、后零件表面三維密集點(diǎn)云，并對(duì)多次掃描的點(diǎn)云進(jìn)行了融合、采樣/精簡(jiǎn)、降噪等優(yōu)化處理，最終得到零件的CAD三維數(shù)模，用于3D打印修補(bǔ)零件或零件修補(bǔ)后的質(zhì)量檢測(cè)，如圖6所示。

2） 破損件缺損區(qū)域數(shù)字模型提取方法研究。

研究中，將CAD參數(shù)化模型轉(zhuǎn)換為三角網(wǎng)格模型并盡可能降低變形誤差。首先，采用“離散細(xì)分-優(yōu)化調(diào)整”的方法，將CAD參數(shù)化模型離散為局部面片集合；然后，通過邊細(xì)分、邊交換等幾何處理操作，生成初始三角網(wǎng)格模型；最后，通過調(diào)整初始網(wǎng)格的頂點(diǎn)位置，使轉(zhuǎn)換后的CAD網(wǎng)格與CAD參數(shù)化模型盡可能接近，從而降低轉(zhuǎn)換變形誤差。

圖 6 測(cè)量方案及流程Fig.6 Measurement plan and process

利用三角網(wǎng)格布爾求差算法提取缺損區(qū)域的數(shù)字模型，對(duì)已對(duì)齊好的2個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行布爾求差操作，然后從CAD網(wǎng)格上提取出缺損區(qū)域的數(shù)字化模型[13]，如圖7所示。

圖 7 布爾求差示意圖Fig.7 Schematic diagram of Boolean difference operation

3） 開發(fā)面向艦船裝備的快速成型修復(fù)系統(tǒng)專用軟件。

針對(duì)修復(fù)裝備軟件集成的要求，開發(fā)包容性軟件平臺(tái)。采用統(tǒng)計(jì)平臺(tái)界面，規(guī)范軟件使用流程，將數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、測(cè)量軟件、模型重構(gòu)軟件、激光增材修復(fù)控制軟件集成到統(tǒng)一平臺(tái)。構(gòu)建軟件之間的調(diào)用通道，使軟件之間無(wú)縫銜接。

面向艦船裝備快速成型修復(fù)系統(tǒng)專用軟件的主要功能包括：對(duì)四軸模塊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制、功能模塊信號(hào)控制、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)三維模型的切片、掃描線自動(dòng)生成、缺損模型與待修零件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。

2.3 快速成型修復(fù)控形控性技術(shù)研究

鑒于在艦船上采用激光修復(fù)時(shí)提供給快速成型修復(fù)設(shè)備的保護(hù)用惰性氣體氣源得不到充分保障，開展如下研究：根據(jù)4級(jí)海況下艦上修復(fù)需要，研究不同氣氛保護(hù)時(shí)修復(fù)材料的力學(xué)性能，采用在氮?dú)馑头邸o(wú)惰性氣體保護(hù)條件下修復(fù)成型，使力學(xué)性能滿足修復(fù)要求；采用小型工業(yè)制氮機(jī)生成氮?dú)庾鳛樗头蹥庠?，研究在海況條件下成型修復(fù)的效率，滿足艦用精度的要求；針對(duì)修復(fù)污染的待修面的開裂問題，采用高功率激光對(duì)修復(fù)的前幾層進(jìn)行熔覆，有助于抑制結(jié)合面開裂。具體工藝框圖如圖8 所示。

圖 8 成型工藝研究圖Fig.8 Research chart of prototyping process

1） 海況條件下快速成型修復(fù)控形技術(shù)研究。

由于4級(jí)海況條件下艦上修復(fù)環(huán)境復(fù)雜，修復(fù)設(shè)備必須能夠在4級(jí)海況（有義波高1.25～2.50 m，風(fēng)級(jí)5～7級(jí)，平均風(fēng)速8.0～17.1 m/s，突風(fēng)風(fēng)速17～26 m/s）下正常工作，能夠承受現(xiàn)場(chǎng)的沖擊、搖擺、振動(dòng)等因素的影響。但是，4級(jí)海況下的快速成型修復(fù)與靜態(tài)下的修復(fù)存在明顯差異，因此需要開展相關(guān)的仿真模擬及實(shí)驗(yàn)。

圖9所示為某實(shí)驗(yàn)室配備的傾斜搖擺臺(tái)裝置。實(shí)驗(yàn)中，將修復(fù)裝備置于傾斜搖擺臺(tái)上，按真實(shí)的海況搖擺設(shè)定參數(shù)，使傾斜搖擺臺(tái)處于位姿模擬、正弦波模擬、單自由度運(yùn)動(dòng)、多自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，然后在此環(huán)境下，對(duì)損傷件進(jìn)行快速成型修復(fù)。為了獲得在真實(shí)海況下對(duì)增材制造修復(fù)工藝的影響，開展了海況條件下的快速成型修復(fù)控形技術(shù)研究，通過不斷優(yōu)化成型工藝及參數(shù)，改進(jìn)快速成型設(shè)備，使之與海況條件下的復(fù)雜環(huán)境相匹配，最終滿足了上艦要求。

圖 9 傾斜搖擺臺(tái)圖Fig.9 Tilting and swaying bench

2） 海況環(huán)境因素對(duì)快速成型修復(fù)零件力學(xué)性能的影響。

我國(guó)海域跨度大，海洋環(huán)境極為復(fù)雜，不同海域的濕度、鹽度、溫度和海況也不盡相同。因此，采用了實(shí)驗(yàn)方法來(lái)獲得不同濕度、鹽霧、溫度等環(huán)境因素下快速成型修復(fù)零件的組織與力學(xué)性能，研究了不同環(huán)境因素對(duì)快速成型修復(fù)零件的組織及力學(xué)性能的影響，為不同環(huán)境因素下的快速成型修復(fù)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。由于在復(fù)雜海洋環(huán)境下不同海浪導(dǎo)致的船舶擺動(dòng)、顛簸有所不同，這些因素對(duì)成型零件的力學(xué)和精度影響存在差異，所以需要研究海況環(huán)境因素對(duì)快速成型修復(fù)零件組織及力學(xué)性能的影響。圖10所示為最終建立的濕度、鹽霧、溫度、海況環(huán)境條件下激光快速成型修復(fù)規(guī)范體系。

圖 10 海況環(huán)境因素工藝研究方法Fig.10 Process research methods under sea conditions and environmental factors

3 艦船裝備零件修復(fù)后處理技術(shù)與方法

根據(jù)艦船裝備零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要求，定制一臺(tái)在有限的空間中具有車、銑、鉆、鏜削等功能的快速成型修復(fù)裝備，完成后，需對(duì)后序處理的零件尺寸（長(zhǎng)×寬×高）≤5 m×5 m×1 m）進(jìn)行加工。例如，針對(duì)齒輪類零件的快速后處理，可采用指狀銑刀對(duì)修復(fù)過的齒輪進(jìn)行后處理，能快速完成增材修復(fù)過的齒輪整形，并提高齒面質(zhì)量。在對(duì)3D打印成型的零件進(jìn)行后續(xù)加工時(shí)，可根據(jù)不同零件的待處理余量來(lái)優(yōu)化加工工藝，通過工序集中的方案完成后續(xù)加工，最終達(dá)到零件的使用精度要求。

制定艦船零件修復(fù)規(guī)范，簡(jiǎn)化修復(fù)流程。針對(duì)艦船裝備零件的海上現(xiàn)場(chǎng)搶修，首先，掃描損壞的零件，通過點(diǎn)云處理，反求出破損零件的三維模型； 然后，采用破損模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行布爾求差運(yùn)算，解算出缺損模型； 最后，采用激光增材修復(fù)系統(tǒng)設(shè)備對(duì)缺損零件的缺損部位進(jìn)行修復(fù)。為提高修復(fù)效率，需制定修復(fù)流程操作規(guī)范，減小或壓縮流程冗余量（從數(shù)據(jù)提取到計(jì)算，再到快速成型工藝規(guī)范）。此外，對(duì)于零件的后處理及性能評(píng)價(jià)驗(yàn)證，均需建立合理的流程規(guī)范來(lái)引導(dǎo)使用者使用，并制定簡(jiǎn)單易懂適合船員使用的移動(dòng)式快速成型修復(fù)裝備使用規(guī)范[3,11,14]。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

船舶軸系是船舶動(dòng)力裝置中必不可少的重要部件，其組成部分的可靠性將直接影響整個(gè)軸系的使用，一旦損壞，會(huì)給艦船的航行和作戰(zhàn)性能帶來(lái)不良后果。

場(chǎng)景1：如圖11所示的某特大型艦船軸系中間軸出現(xiàn)磨損情況，導(dǎo)致軸系出現(xiàn)了較為強(qiáng)烈的振動(dòng)，影響了軸系性能。然而，軸系在船上無(wú)法拆卸，需要現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。修復(fù)時(shí)，將激光器和冷水機(jī)放置在機(jī)修間，通過光纖和冷卻水管連接的運(yùn)動(dòng)模塊和激光打印頭則放置在動(dòng)力艙室，并在修復(fù)部位周邊裝好粉塵收集模塊，隨后即可直接進(jìn)行快速成型修復(fù)。

圖 11 某特大型艦船軸承損壞圖Fig.11 Pictures of ship bearing damage for an extra large ship

場(chǎng)景2：齒輪在船舶裝備中起著至關(guān)重要的作用，是重要的零件。例如，某船的齒輪由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)，齒輪中掉進(jìn)了碎物，導(dǎo)致齒輪磨損，嚴(yán)重影響了裝備的運(yùn)轉(zhuǎn)。圖12所示為損壞齒輪在成型裝備下直接成型的具體過程。

圖 12 某船齒輪修復(fù)成型過程圖Fig.12 Pictures of ship gear repair and shaping

上述軸系和齒輪的材料分別為38Cr2Ni2Mo及17CrNiMo6合金鋼，根據(jù)零件材質(zhì)及工藝要求，相應(yīng)配置好合適比例的材料，通過掃描得到受損零件的三維數(shù)據(jù)，導(dǎo)入成型機(jī)中構(gòu)件所缺損部位的模型數(shù)據(jù)，從而完成缺損零件成型修復(fù)，使成型零件的機(jī)械性能和精度滿足設(shè)備要求。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)可快速組配的移動(dòng)式快速成型裝備，從成型技術(shù)、軟件、工藝及修復(fù)后處理技術(shù)等方面，對(duì)艦船用快速成型修復(fù)技術(shù)及裝備進(jìn)行了研究，得到以下主要結(jié)論：

1） 針對(duì)艦船裝備艙室維修空間狹小、零部件不易拆卸、裝備層與層間上下困難的問題，提出設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可快速拆分、組合的設(shè)計(jì)方法，提出在可快拆組配、電磁吸附或機(jī)械液壓伸縮式裝置固定的修復(fù)裝備，有助于解決零件在線修復(fù)以及修復(fù)裝備的多層間上下困難等問題。

2） 艦船隨行氣體有限，采用氬氣保護(hù)不可持續(xù)。為解決遠(yuǎn)洋成型或修復(fù)的可持續(xù)性問題，提出可采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣可對(duì)修復(fù)件進(jìn)行修復(fù)，從而能減少對(duì)氬氣資源的依賴，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋艦船在線增材制造修復(fù)的可持續(xù)性。

3） 在傳統(tǒng)的機(jī)械臂快速成型修復(fù)方法中，因機(jī)械臂的重量大，無(wú)法在艙室之間搬運(yùn)，且尺寸也超過了艙室門的尺寸，提出可拆卸快速組配的修復(fù)技術(shù)裝備，有利于突破現(xiàn)有修復(fù)裝置的模式，便于攜帶和原位組裝，適用于在狹窄的艙室環(huán)境下原位修復(fù)零件。

4） 本文提出的粉塵收集系統(tǒng)模塊，有助于避免原位修復(fù)中粉塵對(duì)待修零件裝備總成的污染。通過對(duì)復(fù)雜海況下修復(fù)裝備的研究及實(shí)驗(yàn)，經(jīng)快速成型修復(fù)工藝修復(fù)后的零件精度及機(jī)械性均能滿足艦用要求。

本文提出的可快速組配的移動(dòng)式快速成形裝備還處于研究之中，需結(jié)合實(shí)船工程應(yīng)用開展深入研究和相關(guān)試驗(yàn)；航行中船舶的振動(dòng)搖擺對(duì)成形制造影響較大，裝備上艦，還需在實(shí)驗(yàn)室的傾斜搖擺臺(tái)上模擬實(shí)船環(huán)境條件，對(duì)成形零部件的工藝進(jìn)行專門研究，化解裝備風(fēng)險(xiǎn)，提高成形制件精度及機(jī)械性能，為該裝備上船提供一定的應(yīng)用基礎(chǔ)和條件。