3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

周加永，紀(jì)平鑫，莫新民，張 昂，孟小凈

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

周加永，紀(jì)平鑫，莫新民，張 昂，孟小凈

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

闡述了3D打印技術(shù)的原理與分類，對3D打印設(shè)備在世界各地的分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對其發(fā)展概況進(jìn)行了概述。分別從武器裝備研制、武器裝備維修、制造偽裝防護(hù)設(shè)備、后勤保障以及制作醫(yī)療部件與救助用具5個(gè)方面對3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并分析了3D打印技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

3D打印技術(shù)；軍事領(lǐng)域；應(yīng)用

0 引言

3D打印技術(shù)作為一種新型的制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工有著完全不同的加工理念，不用模具和機(jī)械加工可直接根據(jù)所設(shè)計(jì)的三維模型就能加工出任何形狀的零件，大大縮短了加工周期、降低了工藝的復(fù)雜程度，使生產(chǎn)效率得到了有效提高。由于實(shí)際的需要以及各國政府的大力支持，3D打印技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，大到房屋小到金銀首飾都可以通過3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具體應(yīng)用在航空航天、武器裝備、工模具設(shè)計(jì)、醫(yī)療、建筑等多個(gè)不同的行業(yè)之中[1]。

1 3D打印技術(shù)的原理及分類

3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，它與傳統(tǒng)打印機(jī)的工作原理相似，不同的是所用的打印材料不同；3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，智能化程度更高，根據(jù)不同的產(chǎn)品、不同的材料快速打印出最終的產(chǎn)品或零部件[2]。3D打印技術(shù)的原理為：①設(shè)計(jì)師根據(jù)具體需求利用三維軟件設(shè)計(jì)出零部件的三維模型；②將所設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行分層處理，根據(jù)所分層及結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行編程；③將所設(shè)計(jì)的三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式輸入到3D打印機(jī)中，根據(jù)零件的具體要求選擇金屬粉末、工藝類型等；④準(zhǔn)備就緒后在平面內(nèi)黏結(jié)成截面形狀，然后在垂直于平面的方向進(jìn)行層層疊加，最終形成三維實(shí)體。

3D打印技術(shù)的工藝與傳統(tǒng)切削技術(shù)工藝相反，二者的比較見表1。3D打印技術(shù)主要有熔融沉積成型(FDM-Fused Deposition Modeling)、選擇性激光燒結(jié)(SLS-Se1ected Laser Sintering)、選擇性激光熔融(SLM-Selective Laser Melting)、立體光刻(SLA-Stereo lithography Appearance)、電子束熔化(EBM-Electron Beam Melting)、分層實(shí)體制造(LOM-Laminated Object Manufacturing)等幾種類型，具體類型和屬性見表2。

表1 3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)切削技術(shù)的對比

表2 3D打印技術(shù)的類型和屬性

2 3D打印技術(shù)的發(fā)展概況

根據(jù)Wohlers Associates發(fā)布的2013年度報(bào)告顯示，擁有3D打印設(shè)備最多的國家是美國、日本、德國和中國，這4個(gè)國家擁有的3D打印設(shè)備占全球3D打印設(shè)備的比例分別為38%、9.7%、9.4%和8.7%[3]。3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用所占比重分別為：消費(fèi)電子領(lǐng)域20.3%、汽車領(lǐng)域19.5%、醫(yī)療領(lǐng)域15.1%、航空航天領(lǐng)域10.91%、工業(yè)及商用機(jī)器領(lǐng)域10.8%、科研用途領(lǐng)域7.91%、政府/軍事領(lǐng)域6.31%、建筑/地理信息領(lǐng)域4%、其他領(lǐng)域5.17%[4]。從發(fā)展趨勢來看，3D打印技術(shù)在航空航天和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用增速最快，并且在航空航天和醫(yī)療設(shè)備等高端領(lǐng)域，3D打印產(chǎn)業(yè)正在獲利；在軍事領(lǐng)域雖然目前所占的比重不是很大，但是在不久的將來，3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域定會得到廣泛的應(yīng)用。

3 3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 武器裝備研制

利用3D打印技術(shù)進(jìn)行武器裝備研發(fā)時(shí)，工程師可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行創(chuàng)意驗(yàn)證和模具制作，對一些特殊、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件可以直接打印，同時(shí)能有效地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的輕量化。

3.1.1 航空航天裝備

終級噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)由美國的GE航空公司利用3D打印技術(shù)制造出來，該公司計(jì)劃將3D打印技術(shù)應(yīng)用在下一代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)制造上。737無人機(jī)模型PETRA的主要組件實(shí)現(xiàn)了3D打印技術(shù)的制造(包括副翼、燃料箱、襟翼、操縱面等)，并實(shí)現(xiàn)了完美的試飛測試。美國太空制造公司專門設(shè)計(jì)用于國際空間站微重力制造項(xiàng)目的3D打印機(jī)已通過NASA最后的驗(yàn)證測試，并發(fā)送到了國際空間站。F-35飛機(jī)3米長的機(jī)翼鈦合金零部件、F-15獵鷹噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)鐵合金外掛架冀肋備件、UH-60直升機(jī)門把手等當(dāng)今先進(jìn)的軍用飛機(jī)的相關(guān)零部件已由3D打印技術(shù)制造出來，與傳統(tǒng)工藝相比成本下降了很多，從而驗(yàn)證了3D打印技術(shù)在成本方面具有一定優(yōu)勢[5]。

我國用了近十年的時(shí)間研發(fā)成功了殲-10飛機(jī)，艦載機(jī)殲-15僅用了3年的時(shí)間就研發(fā)成功，關(guān)鍵零部件應(yīng)用了3D打印技術(shù)，極大地縮短了研發(fā)周期?，F(xiàn)在殲-20和殲-31在研發(fā)過程中已經(jīng)采用了3D打印技術(shù)。中國商飛和西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，利用3D打印技術(shù)制造了C919大飛機(jī)的中央翼緣條。中航工業(yè)一飛院與北京航空航天大學(xué)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，將全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)與最新的3D打印技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)打印出了多個(gè)滿足強(qiáng)度、剛度和使用功能要求的飛機(jī)部件。

3.1.2 海軍裝備

為了生產(chǎn)重量輕、成本低并能滿足作戰(zhàn)性能指標(biāo)要求的無人機(jī)，美國海軍打算利用3D打印技術(shù)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)。美國海軍計(jì)劃將航空母艦、巡洋艦以及驅(qū)逐艦等打造成可以移動(dòng)的海上3D打印工廠，實(shí)現(xiàn)相關(guān)武器裝備的按需打印，提高艦上空間的利用率[6]。

3.1.3 輕武器裝備

美國Solid Concepts公司利用3D打印技術(shù)制造了世界上第一只金屬手槍，并測試成功，該3D打印的金屬手槍由30多個(gè)零件組成，經(jīng)測試該3D打印手槍的射程比常規(guī)手槍差一些但精度相當(dāng)。AR-15半自動(dòng)步槍的彈匣及其他部件也已經(jīng)由3D打印技術(shù)制造出來，該槍能夠射擊600多次，綜合性能良好。目前制約3D打印技術(shù)的問題是材料，如果金屬粉末材料問題能夠得到解決，3D打印技術(shù)在輕武器的設(shè)計(jì)制造與維修領(lǐng)域?qū)玫綇V泛的應(yīng)用。

3.2 武器裝備維修

隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，在武器裝備維修領(lǐng)域也得到了應(yīng)用并有良好的應(yīng)用前景。利用3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)時(shí)裝備維修備件與維修工具設(shè)備的快速制造，使得戰(zhàn)時(shí)維修保障效率得到大幅提高。在過去幾年中，美軍一直在使用3D打印技術(shù)，在阿富汗的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室部署了原型設(shè)計(jì)和打印設(shè)備，并且開發(fā)出了一種系統(tǒng)，用來修復(fù)在作戰(zhàn)中受損的飛機(jī)和地面車輛。美國Optomec公司利用3D打印技術(shù)為美國空軍修復(fù)高價(jià)值的航空金屬部件。安妮斯頓陸軍基地利用3D打印技術(shù)對M1艾布拉姆斯坦克的燃?xì)鉁u輪進(jìn)行了修復(fù)，效果明顯達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。美國海軍水下作戰(zhàn)中心已經(jīng)利用3D打印技術(shù)進(jìn)行老舊零件與工裝的維修。

3.3 偽裝防護(hù)設(shè)備制作

現(xiàn)在進(jìn)行大規(guī)模戰(zhàn)爭的概率很小，一般都是局部戰(zhàn)爭，參戰(zhàn)人數(shù)不多，在戰(zhàn)場上需要隨時(shí)進(jìn)行隱蔽，用于保護(hù)自己并能更好地打擊敵人。對于一些防護(hù)偽裝設(shè)備，要求特征與周邊背景盡可能做到一致，為了便于攜帶與布設(shè)，重量盡可能得輕。利用3D打印技術(shù)可以根據(jù)具體的作戰(zhàn)環(huán)境及實(shí)際戰(zhàn)況需求能夠快速準(zhǔn)確地制作偽裝防護(hù)設(shè)備，使偽裝后的目標(biāo)更好地隱蔽起來，使作戰(zhàn)人員發(fā)揮最大的作戰(zhàn)效能。

3.4 后勤保障

未來的戰(zhàn)爭將會是信息化戰(zhàn)爭，3D打印技術(shù)的應(yīng)用會使得戰(zhàn)場保障方式發(fā)生重大變化?，F(xiàn)在的后勤保障主要依托后方的供給，將來會變?yōu)橐躁嚨噩F(xiàn)場的“DIY”(Do It Yourself)為主，所謂的“DIY”就是在戰(zhàn)場上士兵可以根據(jù)自己的實(shí)際需要制作物資、食品和藥品等。

3.5 醫(yī)療部件及救助用具制作

現(xiàn)在的社會講究人權(quán)，以人為本，世界各國的軍隊(duì)都在利用一切辦法去追求戰(zhàn)場零傷亡，及時(shí)有效地進(jìn)行醫(yī)療救護(hù)是有效途徑之一。但是戰(zhàn)場環(huán)境變幻莫測，影響因素眾多，當(dāng)有士兵受傷時(shí)，進(jìn)行戰(zhàn)場應(yīng)急救援會受到很大的影響。為了最大限度地對士兵進(jìn)行及時(shí)的救援，在戰(zhàn)場上可以利用3D打印技術(shù)根據(jù)受傷士兵的具體情況制作相應(yīng)的器官或用具。例如，可以為骨折的士兵制作夾板、支架，為關(guān)節(jié)受傷的士兵打印關(guān)節(jié)，為眼睛受傷的士兵制作眼罩或特殊的眼鏡，為截肢的士兵制作假肢，為腳受傷的士兵制作專用鞋等[7]。

4 3D打印技術(shù)未來發(fā)展趨勢

根據(jù)未來武器裝備的研發(fā)生產(chǎn)需求以及現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要，未來3D打印技術(shù)的發(fā)展將主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 提高材料多樣性，滿足武器裝備零部件多樣性需求。隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展以及打印材料需求的不斷增加，國內(nèi)外的制粉工藝也得到了快速的發(fā)展。

(2) 3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，提高3D打印技術(shù)的速度、效率和精度。

(3) 3D打印系統(tǒng)向小型化方向發(fā)展，適應(yīng)野外戰(zhàn)場快速精確保障要求。據(jù)報(bào)道，美軍為戰(zhàn)場官兵研發(fā)了一款小型3D打印機(jī)，可以放在官兵的背包中并在戰(zhàn)場上使用。

(4) 提高3D打印軟件集成化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，提高武器裝備研發(fā)以及損傷零部件維修的響應(yīng)速度。

(5) 充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)平臺，發(fā)展遠(yuǎn)程3D打印技術(shù)。

5 結(jié)語

3D打印技術(shù)不是對傳統(tǒng)制造技術(shù)的顛覆，而是對傳統(tǒng)制造技術(shù)的提升與完善。利用3D打印技術(shù)一方面拓寬了設(shè)計(jì)研發(fā)人員的設(shè)計(jì)思路，另一方面將傳統(tǒng)制造技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)或不能實(shí)現(xiàn)的超復(fù)雜零件的加工能輕而易舉的實(shí)現(xiàn)。3D打印技術(shù)應(yīng)用在武器裝備設(shè)計(jì)

生產(chǎn)中，可以縮短新型武器的設(shè)計(jì)研發(fā)周期，大幅節(jié)省國防開支，并將從本質(zhì)上提升武器裝備的性能與生產(chǎn)效率。

[1] 蔣立新,易翔翔,邵潔.3D打印技術(shù)的發(fā)展及在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國軍轉(zhuǎn)民,2013(12):58-61.

[2] 古麗萍.蓄勢待發(fā)的3D打印機(jī)及其發(fā)展[J].數(shù)碼印刷,2011(10):64-67.

[3] 陳立，陳勝遷.3D打印——未來制造業(yè)的新模式[J].輕工科技，2013(9)：66-67.

[4] 郭朝邦,胡麗榮,胡冬冬.3D打印技術(shù)及其軍事應(yīng)用發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2013(6):1-4.

[5] 胡曉睿.增材制造技術(shù)在國防領(lǐng)域的應(yīng)用[J].國防制造技術(shù)，2010(4):40-41.

[6] 祁萌,李曉紅,胡曉睿.增材制造技術(shù)在國外國防領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].國防制造技術(shù),2013(5)：12-16.

[7] 王群，耿云玲.3D打印技術(shù)的軍事應(yīng)用前景[J].國防科普，2013(8)：79-81.

Application and Development Trend of 3D Printing Technology in Military Field

ZHOU Jia-yong, JI Ping-xin, MO Xin-min, ZHANG Ang, MENG Xiao-jing

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

The principle and classification of 3D printing technology are elaborated, 3D printing equipment in the world is described, and the general situation of development is outlined. The application of 3D printing technology includes designing weapon equipment, repairing weapon equipment, manufacturing camouflage equipment, logistic support, making medical components and rescue equipment in military fields are introduced, then the development trend of 3D printing technology in the future is analyzed.

3D printing technology; military field; application

1672- 6413(2015)06- 0217- 03

2015- 03- 23；

2015- 10- 20

周加永(1984-)，男，山東臨沂人，工程師，碩士，主要從事液壓及機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

TP391.7

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