3D打印技術(shù)及其在軍事領(lǐng)域的應用

金大元

(中國電子科技集團公司 第三十六研究所，浙江 嘉興314033)

3D打印技術(shù)及其在軍事領(lǐng)域的應用

金大元

(中國電子科技集團公司 第三十六研究所，浙江 嘉興314033)

近年來，迅猛發(fā)展的3D打印技術(shù)為制造技術(shù)帶來了的一場變革。本文闡述了3D打印技術(shù)的基本概念和發(fā)展狀況, 介紹了3D打印設(shè)備及其工作原理，給出了選擇性激光燒結(jié)成形工藝等6種3D打印成型工藝, 從飛行器零部件制造、無人機與模型飛機、裝備保養(yǎng)維修、太空制造和軍事電子5個方面論述了3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的最新應用和發(fā)展前景。

3D打??；增材制造；快速成型；軍事應用

1 3D打印技術(shù)簡介

近年來，3D打印技術(shù)為人們所熟悉，并逐漸成為一種新興的制造方式，很多國家，包括美國、德國等都高度重視并積極推廣應用該技術(shù)。3D打印技術(shù)的源頭應追溯到20世紀80年代起步的快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，簡稱RP)。在制造業(yè)，傳統(tǒng)的加工方法是減材制造，即通過在材料毛坯上逐步切除多余材料來制造零件。3D打印技術(shù)是通過材料逐層添加，制造出三維物體的數(shù)字化增材制造(additive manufacturing)技術(shù)。其基本的工作過程為：1)在計算機中利用 CAD軟件設(shè)計出所需要物體的三維模型圖；2)利用3D打印設(shè)備中的軟件，對模型進行分層切片，得到各層截面的二維圖形；3)在設(shè)計文件指令的導引下，3D打印設(shè)備噴出固體粉末或熔融的液態(tài)材料，使其固化為一平面薄層，第1層固化后，在此基礎(chǔ)上再形成第2層[1]，如此往復，按順序逐層固化或粘結(jié)相鄰截面；4)去除打印過程中所需的支承材料，最后形成三維物體。

3D打印技術(shù)通過三維至二維的轉(zhuǎn)化，在一定意義上簡化了物體的成型。其不僅具有快速、柔性化、低成本和低污染等特點，而且還具有能制造出傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)的復雜物體的獨特優(yōu)勢。3D打印復雜結(jié)構(gòu)件示例如圖1所示。

圖1 3D打印復雜結(jié)構(gòu)件

2 3D打印設(shè)備及其工作原理

2.1 3D打印設(shè)備

3D打印設(shè)備是3D 打印技術(shù)的物理基礎(chǔ)，3D打印設(shè)備的發(fā)展是3D打印技術(shù)發(fā)展和應用的重要部分。從廣義上來說，3D 打印設(shè)備包括激光固化式快速成型機、激光燒結(jié)式快速成型機、激光熔化式快速成型機、貼片刻寫式快速成型機、電子束熔化式快速成型機、噴墨黏粉式3D 打印機、熔融擠壓式3D 打印機、壓電驅(qū)動式3D 打印機、氣動式3D 打印機和電動式3D 打印機[2]。

2.2 3D打印設(shè)備工作原理

1) 激光固化式快速成型機的工作原理是通過激光束照射液態(tài)光敏樹脂，使其固化為1層截面薄片，然后層層疊加，最終形成三維工件。

2) 激光燒結(jié)式快速成型機的工作原理是在工作臺上鋪1層粉末，激光束對粉末進行有選擇的掃描，使粉末外表熔化而相互粘結(jié)，逐步形成截面薄層，而未被激光束掃描的粉末仍為散狀，自然形成對后續(xù)層的支承；1層成形后，工作臺下降1層高度，再鋪上粉末并燒結(jié)，如此循環(huán)，燒結(jié)出三維工件。

3) 激光熔化式快速成型機與激光燒結(jié)式快速成型機的工作原理基本相同，不同之處僅在于其粉末被完全熔化，從而大大提高成型性能。

4) 貼片刻寫式快速成型機，也可稱為分層實體制造快速成型機，其工作原理就是在工作臺上鋪帶熱熔膠的材料紙，激光切割出薄層輪廓線，然后工作臺下降1層厚度，再鋪上1層材料紙，層層粘合切割，最終形成三維工件。

5) 電子束熔化式快速成型機是近年來新出現(xiàn)的，其成型工作原理與激光熔化式快速成型機基本相同，只是其熔化粉末的能源是電子束而不是激光束。

6) 噴墨黏粉式3D 打印機的工作原理與噴墨打印機相似，先鋪上1層材料粉末(類似送紙)，按分層圖形要求噴黏結(jié)劑(類似噴墨水)，再鋪粉，再噴黏結(jié)劑，層層黏結(jié)，完成成形。

7) 熔融擠壓式3D 打印機由目前業(yè)界著名的 Stratasys 公司發(fā)明。其工作原理是根據(jù)CAD確定的輪廓，被加熱熔化的塑料“墨水”通過擠壓式噴頭噴射在工作臺上，快速冷卻固化后形成工件截面，然后再成形下一層，最后形成三維工件。

8) 壓電驅(qū)動式3D 打印機采用了壓電式噴頭。所謂壓電式噴頭就是利用壓電器件的逆壓電效應來控制液體材料(“墨水”)從噴嘴中噴出。壓電式碰頭又可分為容積型、拍擊型和開關(guān)型。

9) 氣動式3D 打印機采用了氣動式噴頭。氣動式噴頭形式較多，主要有活塞開關(guān)型、時間-壓力型、容積型、膜片型、霧化型和粉粒流型。其中，粉粒流型噴出的不再是“墨水”，而是金屬材料粉末，并同步通過激光熔覆沉積成型，常用于制造金屬構(gòu)件。

10) 電動式3D 打印機采用了電動式噴頭，按結(jié)構(gòu)不同，主要有電磁閥型、微注射器型、電流體動力型、電場偏轉(zhuǎn)型和電動螺桿型等。

3 3D打印主要工藝

3.1 3D打印過程

3D打印包括創(chuàng)建3D打印數(shù)據(jù)、打印和后處理3個過程。

1)創(chuàng)建3D打印數(shù)據(jù)包括零件3D模型的建立、近似處理和分層切片。3D模型可通過三維CAD軟件設(shè)計產(chǎn)生，也可通過3D掃描儀掃描已有樣品產(chǎn)生。近似處理是將3D設(shè)計模型轉(zhuǎn)化為通用STL格式文件。分層切片是將3D模型轉(zhuǎn)化為一系列的二維截面圖，并形成打印機的控制指令。

2)打印過程是打印機讀取模型數(shù)據(jù)指令，逐層鋪設(shè)材料，形成一系列的截面層，這些截面層依次結(jié)合或熔融成最終的工件形狀。

3)后處理過程主要包括了工件與支撐材料的分離、必要的表面打磨和拋光處理等，有時也包括了對工件進行的強化處理和熱處理等。

3.2 3D打印工藝

3.2.1 選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，簡稱SLS)工藝是通過利用激光能有選擇地熔化粉末材料來成型。該工藝方法可分為間接打印成型和直接打印成型2類：1)間接打印成型的材料為金屬粉末和聚合物的混合材料，在激光作用下，聚合物熔化，并浸潤金屬顆粒表面，冷卻后形成毛坯件，通過后續(xù)去粘結(jié)劑和滲入金屬等后處理過程成為金屬構(gòu)件；2) 直接打印成型的材料為不同熔點金屬混合而成的粉末，激光熔化其中的低熔點金屬，從而將粉末材料粘結(jié)起來，得到金屬構(gòu)件。SLS工藝主要用于制造金屬件。

3.2.2 選擇性激光熔化成型

選擇性激光熔化成型(selective laser melting，簡稱SLM)工藝中的成型材料為相同的金屬材料粉末，在激光的作用下，粉末完全熔化后冷卻成型。一般來說，SLM工藝可以比SLS工藝有更好的零件表面質(zhì)量和力學性能。

3.2.3 電子束熔化成型

電子束熔化成型(electron beam melting，簡稱EBM)工藝是近年來的一項新工藝技術(shù)，其采用電子束的能量來替代激光能量，而且是在真空環(huán)境下進行熔融和冷卻過程，可以避免金屬與空氣中氧、氮的親和反應。該工藝具有更高的功率，成型速度以及更好的零件致密性、強度和表面質(zhì)量。西亞基(Siacky)公司就是采用這種工藝為 F-35 戰(zhàn)機制造鈦合金零部件。

3.2.4 分層實體制造

分層實體制造(laminated object manufacturing，簡稱LOM)工藝與上述幾項工藝有較大的差異。其成型材料不是粉末，而是紙張或塑料膜。每鋪設(shè)一層，便由激光切割成型，層層粘合，形成工件。該工藝成型較快，適合制造大型、厚實的塑料或紙質(zhì)構(gòu)件。3.2.5 熔融沉積成型

熔融沉積成型 (fused deposition modelling，簡稱FDM)工藝中的成型材料一般為熱塑性塑料絲。成型材料被輸送至噴頭中熔融，然后由噴嘴擠出沉積于工作臺面上冷卻成型。該工藝主要適用于制造塑料零件。

3.2.6 激光固化成型

激光固化成型 (stereo lithography appratus，簡稱SLA) 工藝是在3D打印領(lǐng)域最早發(fā)展和應用的快速成型工藝技術(shù)，其成型材料為液態(tài)光敏樹脂。盛于液槽中的光敏樹脂位于工作臺面上的一層在激光照射下發(fā)生聚合反應，快速固化成薄片層，工作臺下降1層，液態(tài)樹脂自動流過已成型層，層層疊加，形成最終工件。

4 3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應用

4.1 飛行器零部件制造

航空航天是3D 打印技術(shù)運用最廣泛的領(lǐng)域之一，國內(nèi)外均已有成功的應用案例。飛行零部件往往結(jié)構(gòu)復雜，形狀特異，采用傳統(tǒng)的制造方法不僅難以實現(xiàn)，而且成本很高，而這恰恰是 3D打印技術(shù)擅長之處。

美國 RLM工業(yè)公司利用3D打印技術(shù)制造“愛國者”防空系統(tǒng)齒輪組件，其制造成本由原來采用傳統(tǒng)制造工藝的2～4萬美元降低到1 250美元。通用電氣公司采用3D打印技術(shù)制造發(fā)動機鈦合金零件，使每臺發(fā)動機成本節(jié)省了2.5萬美元。

洛克希德馬丁公司在F-35戰(zhàn)斗機副翼翼梁上使用了西亞基(Sciaky)公司3D打印的鈦合金零件，并進行了飛行測試驗證[3]。2個公司還聯(lián)合研制了F-22戰(zhàn)斗機鈦合金支座，并經(jīng)過了全壽命光譜疲勞試驗和負載試驗。Sciaky公司3D打印的機翼零件如圖2所示。

圖2 Sciaky公司3D打印的機翼零件

波音公司利用 3D打印技術(shù)制造了約300多種不同的飛機零部件，其中包括將冷空氣導入電子設(shè)備的復雜形狀導管。英國皇家空軍1架裝配有3D 打印金屬部件的旋風戰(zhàn)斗機試飛成功，其裝配的3D 打印部件包括駕駛室的無線電防護罩、起落架防護裝置及進氣口支架[4]。雷尼紹(Renishaw)公司采用AM250激光熔融成型工藝，用3 h就能制造一款航空用的雙層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)冷卻部件，零件材料為鈦合金材料，內(nèi)部具有復雜的精細流道結(jié)構(gòu)。特斯拉公司老板，傳奇企業(yè)家艾隆·馬斯克(Elon Musk)的SpaceX公司，使用3D打印技術(shù)為其最新的龍飛船2號制造了發(fā)動機最重要的部分之一SuperDraco推進器。

北京航空航天大學王華明教授團隊的“飛機鈦合金大型復雜構(gòu)件激光成型技術(shù)”，在2013年獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。目前，該技術(shù)在我國已投入工業(yè)化制造，使我國成為繼美國之后第2個掌握飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)的國家。采用該技術(shù)，我國自主研發(fā)了尺寸大且形狀復雜的大型客機C919機頭鈦合金主風擋整體窗框[5]。該團隊研發(fā)的制造裝備最大加工零件尺寸達到4 m×3 m×2 m，是目前全球最大的激光快速成型裝備，其制造的鈦合金構(gòu)件的綜合力學性能已經(jīng)達到或超過相應鍛件的相關(guān)指標[6]。

葉盤是發(fā)動機中的重要部件，而整體葉盤將發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片和輪盤形成一體，可簡化結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量，并可提高氣動性能。貴州黎陽航空動力有限公司采用激光快速成型工藝成功研制出了符合性能要求的鈦合金整體葉盤[7]。

4.2 無人機與模型飛機

2013年，EADS公司采用3D打印技術(shù)，用熱塑性材料制造出了微型無人機原型和無人機暫用零件。英國南安普頓大學則利用增強型ABS塑料打印出了一架小型無人駕駛飛機“SULSA”(見圖3)，其翼展2 m，最高時速可達100 mi，還配備有微型自動駕駛系統(tǒng)，可用于巡航。據(jù)稱這是世界上第1架“3D打印”飛機，且已試飛成功。美國空軍研究實驗室也采用3D打印技術(shù)制造出了一架成為“可任意使用的微型飛行器”無人機，且已完成了飛行測試。

圖3 3D打印的SULSA無人機

風洞試驗是任何飛機研制必不可少的一個過程，以試驗飛機各項氣動外形性能。風洞試驗模型要求模型數(shù)據(jù)準確，具有一定的強度。采用傳統(tǒng)方法加工周期長，成本高；而直接采用設(shè)計模型數(shù)據(jù)的3D打印制造的飛機模型很好地滿足了低成本、快速制造的要求。

4.3 裝備保養(yǎng)維修

如果僅靠大量的備件來保證裝備全壽命的保養(yǎng)維修，或者戰(zhàn)時的緊急維修，無疑需要付出巨大的經(jīng)濟成本。3D打印技術(shù)為裝備的柔性維修提供了可能，一旦零件損壞，只要有零件的3D模型，就可以在短時間內(nèi)制造出來，而不必等待供應商的工廠制造，也避免了停產(chǎn)風險。

在現(xiàn)場應用3D打印技術(shù)來保障航空產(chǎn)品易損零部件的維修更換，是一種很有效地方法。美國某空軍基地就配備了相應的3D打印設(shè)備，用于在基地制造出無人機機體部件、整流罩和天線等，以保障訓練。

4.4 太空制造[8]

目前，所有的太空任務都是依賴發(fā)射工具，將執(zhí)行任務所需的設(shè)備、工具和備用零部件等從地球發(fā)送至太空，但人們無法預測哪些零部件將在漫長的太空旅行中失效；因此，在執(zhí)行太空任務時，往往需要攜帶相當多的備用部件，以確保太空任務的安全與高效。然而，研究表明，每多攜帶0 .45 kg進入太空，成本就將增加約1 萬美元，因此如不降低載荷的質(zhì)量和體積，將會使太空探索成本居高不下。為此，美國國家航空航天局(NASA) 提出了“太空制造”的構(gòu)想，將3D 打印設(shè)備發(fā)送至太空，宇航員借助3D 打印設(shè)備自行在太空中制造其執(zhí)行任務所需的大部分硬件，如耗材、通用工具、失效或損壞的零部件，甚至是小型衛(wèi)星的組件，以顯著提高人類執(zhí)行太空任務的可靠性和安全性，同時大幅降低太空探索成本。

2012年，美國華盛頓州立大學某研究團隊，開展了旨在利用3D 打印技術(shù)為小型科研衛(wèi)星生產(chǎn)金屬和陶瓷零部件的探索性研究項目。2013 年，該研究團隊演示了利用3D 打印設(shè)備和仿月球巖石材料生產(chǎn)零部件的相關(guān)工作，使美國的“太空制造”計劃向前邁進了重要的一步。

4.5 軍事電子

3D打印技術(shù)在軍事電子方面尚未見成熟的應用案例，但其可能的應用場景已開始逐漸露出端倪。美國加利福尼亞大學伯克利分校研究采用 3D打印技術(shù)制作有機底電極場效應晶體管。美國康奈爾大學在其研制的三維打印機上打印出了成型電路和有機電化學晶體管。熱管是電子設(shè)備的高效散熱器件，加拿大蒙特利爾綜合理工學院用 3D打印技術(shù)制作了用于集成電路芯片散熱的微型熱管。機電傳感器，尤其是微型傳感器，也可用 3D打印方法制作。在一體化天線方面，美國伊利諾伊大學學者已打印出了三維微型曲面天線(見圖4)，日本學者在大型曲面上打印成型天線，深圳微航磁電有限公司在2013年采用3D打印技術(shù)制作了3D 希爾伯特衛(wèi)星 GPS天線，獲得了比四臂螺旋天線更好的性能。采用特殊噴頭，3D 打印機可以噴射金屬焊料，用于形成芯片倒裝焊中的晶片凸點，也特別適合于難度很高的三維電氣互聯(lián)。

圖4 3D微型曲面天線

5 結(jié)語

3D打印技術(shù)的獨特優(yōu)勢是可以制造出幾乎任何形狀的物體，小批量、多品種、柔性化和定制化是其最適宜的場景，但其也有局限性：例如，在生產(chǎn)大批量塑料零件方面，采用傳統(tǒng)塑模制造方法依然具有成本低、速度快的優(yōu)勢；在金屬零件加工方面，3D打印技術(shù)的精度和表面質(zhì)量還遠不能與傳統(tǒng)機械加工方法相媲美；雖然3D打印金屬結(jié)構(gòu)件已開始在航空中有所應用，但離大面積采用還有距離；美國在 F-35戰(zhàn)機中開始采用了部分 3D打印鈦合金承力結(jié)構(gòu)件，但在F-35B戰(zhàn)機中應用的依然是傳統(tǒng)鍛造成型的鈦合金結(jié)構(gòu)件。

由此可見，在一個相當長的時期內(nèi)，3D打印技術(shù)是對傳統(tǒng)制造方法的一種有效補充。隨著3D打印技術(shù)的不斷完善和進步，其應用領(lǐng)域和深度會不斷拓展，但3D打印技術(shù)不會顛覆或替代傳統(tǒng)制造業(yè)。

[1] Lison H, Kurman M. Fabricated-the new world of 3D printing [M]. Wiley：Indianpolis, 2013.

[2] 王運贛，王宣. 三維打印技術(shù)[M]. 武漢:華中科技大學出版社,2013.

[3] 謝靜. 3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應用[J]. 科技資訊,2014(3):161-162.

[4] 楠綜. 英國使用3D 打印技術(shù)生產(chǎn)戰(zhàn)斗機金屬部件[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2014(3):31.

[5] 劉俊卿. 王華明.打印大飛機[J]. 中國經(jīng)濟與信息化,2014(3):43.

[6] 佚名. 天地激光鈦合金構(gòu)件3D打印技術(shù)將產(chǎn)業(yè)化[J]. 現(xiàn)代材料動態(tài),2014(2):23.

[7] 呂日紅，樊國福. TC11鈦合金整體葉盤應用3D激光快速成形技術(shù)研究[J]. 新技術(shù)新工藝,2014(3):25-27.

[8] 由鮮舉. 國外國防電子熱點研究[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2014.

責任編輯馬彤

3DPrintingandItsMilitaryApplication

JIN Dayuan

(No.36 Research Institute of CETC, Jiaxing 314033, China)

Nowadays, the emerging 3D printing technology has brought a revolutionary change in the manufacturing industry. The paper introduced the basic concept of 3D printing and its developing status quo, summarized the 6 kinds of 3D printing technology, discussed the newest application and developing prospective from 5 aspects including manufacture of aircraft parts, drone and model plane, maintenance and fixation of equipments, space manufacture, and military electronics.

3D printing, addictive manufacturing, rapid forming, military application

TH 164

：A

金大元(1964-)，男，研究員，副總工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝以及制造技術(shù)等方面的研究。

2014-09-18