3D打印技術(shù)在美國裝備研制中的應(yīng)用

于霞 孫伶俐 張菽（中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

3D打印技術(shù)在美國裝備研制中的應(yīng)用

于霞 孫伶俐 張菽
（中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

本文首先闡釋了3D打印技術(shù)的概念、起源及其發(fā)展歷程；然后綜述了3D打印技術(shù)在美國裝備研制中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合美國裝備研制的發(fā)展趨勢，從4D打印技術(shù)、新型3D打印材料以及3D打印技術(shù)的安全應(yīng)用問題三個方面分析研究了3D打印技術(shù)在裝備研制中的應(yīng)用趨勢，可為相關(guān)部門和企業(yè)的發(fā)展提供思路。

3D打印技術(shù)； 裝備研制； 現(xiàn)狀 ； 趨勢

3 D打印技術(shù)的概念一經(jīng)提出，便受到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注，目前已經(jīng)成為制造業(yè)領(lǐng)域一個重點和熱點研究方向，在裝備制造、模具制造以及汽車等領(lǐng)域得到了非常大規(guī)模的應(yīng)用。3D打印技術(shù)由于其巨大的經(jīng)濟(jì)效益而受到世界各國的青睞，其中當(dāng)屬美國的裝備制造走在3D打印技術(shù)的應(yīng)用前列［1］。

1 3D打印技術(shù)

1.1 3D打印技術(shù)的概念

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，決定國防工業(yè)和武器裝備發(fā)展水平的重要基礎(chǔ)性技術(shù)，它的基本原理是，把一個通過設(shè)計或者掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標(biāo)軸切成無限多個剖面，然后一層一層的打印出來并按原來的位置堆積到一起，形成一個實體的立體模型。

1.2 3D打印技術(shù)的起源與發(fā)展

3D 打印技術(shù)的發(fā)展起源可追溯至20 世紀(jì)70 年代末到 80 年代初期。1986 年，Charles Hull 率先推出SLA打印技術(shù)，將3D 打印技術(shù)推到了全新的發(fā)展階段。1993 年，Z Corporation公司獲得麻省理工大學(xué)教授Emanual Sachs的許可，利用其開發(fā)的類似于噴墨式的3D打印技術(shù)來生產(chǎn)3D打印機(jī)，自此誕生了“3D 打印機(jī)”。隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，目前3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會于2015年11月在硅谷注冊，成為全球3D打印行業(yè)首家非營利性行業(yè)商會，成為全球性的3D打印行業(yè)組織。在裝備制造方面，3D打印技術(shù)早已有了一定的應(yīng)用深度和廣度。其中，美國軍方在過去的幾年內(nèi)開始了不少重大的3D打印項目。

2 3D打印技術(shù)在美國裝備研制中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)自誕生以來，由于其前瞻性的技術(shù)特點，被各個國家的相關(guān)部分和企業(yè)廣泛應(yīng)用于裝備制造中，其中領(lǐng)頭者當(dāng)屬美國航空航天局（NASA）。3D打印技術(shù)在美國裝備研制中主要的應(yīng)用場景包括航空航天、制導(dǎo)武器和無人機(jī)這三個方面。

2.1 3D打印技術(shù)與航空航天

航空航天技術(shù)是決定國家科學(xué)進(jìn)步的核心技術(shù)，人類一直致力于將新興技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。目前，美國NASA噴氣推進(jìn)實驗室已經(jīng)開發(fā)出一種新的金屬3D打印技術(shù)，并被應(yīng)用于相應(yīng)的航天器器件的制造過程中。從 2010 年以來，NASA 噴氣推進(jìn)實驗室的科學(xué)家就一直在研發(fā)這項新技術(shù)，并試圖通過一個標(biāo)準(zhǔn)的 3D 打印工序，讓該項金屬3D打印技術(shù)能夠兼容不同的金屬粉末，從而被用于航天器的設(shè)計和制造當(dāng)中。

2.2 3D打印技術(shù)與制導(dǎo)武器

制導(dǎo)武器的研制決定著國家的國防實力，占據(jù)著裝備制造中非常重要的一部分。在3D打印技術(shù)用于制導(dǎo)武器的研制方面，美國同樣走在世界前沿，已經(jīng)實現(xiàn)使用3D技術(shù)制造制導(dǎo)武器的全部組件。3D打印技術(shù)可以用于設(shè)計和制作精細(xì)復(fù)雜的電子元器件和電路，從而去實現(xiàn)制導(dǎo)武器中復(fù)雜電路的設(shè)計，這是目前3D打印技術(shù)在制導(dǎo)武器設(shè)計與研制方面的主要研究熱點［2］。

2.3 3D打印技術(shù)與無人機(jī)

無人機(jī)是由人為操縱的不載人飛機(jī)，通過無線電裝置和自動控制裝置實現(xiàn)，包括軍用和民用兩種形式，在軍事領(lǐng)域，主要被用于完成特殊軍事任務(wù)。目前，無人機(jī)的制造已經(jīng)進(jìn)入了 3D 打印時代。3D 打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到無人機(jī)部分零部件的加工制造中，但只是作為傳統(tǒng)制造的輔助措施，或者是用來生產(chǎn)玩具、航模一類的非重要用途的無人飛行器。通過3D打印技術(shù)制造的小型無人機(jī)，可降低作戰(zhàn)裝備成本，滿足前線士兵的作戰(zhàn)需求，提高作戰(zhàn)效率，實現(xiàn)真正意義上的軍事現(xiàn)代化［3］。

3 3D打印技術(shù)在裝備研制中的應(yīng)用趨勢

3.1 4D打印技術(shù)

所謂的4D打印技術(shù)，即比3D打印多了一個“D”，也就是時間緯度，在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上添加時間控制，在設(shè)定時間內(nèi)完成3D打印作業(yè)，這是工業(yè)自動化與3D打印技術(shù)相互融合和發(fā)展的產(chǎn)物。目前，該項技術(shù)還尚未成熟，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，4D打印技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用在裝備研制等領(lǐng)域中。

3.2 新型3D打印材料

目前的3D打印技術(shù)是具有高耗能、高浪費、低環(huán)保的技術(shù)，因此研發(fā)新型的3D打印材料勢在必行，目前已有多種新型3D打印材料問世。比如，3D打印材料公司Taulman3D曾發(fā)布了6種高強(qiáng)度3D打印材料，該公司稱這六種材料使用了世界各地制造業(yè)、設(shè)計師、藝術(shù)家最歡迎的聚合物作為原料。隨著人類環(huán)保意識的增強(qiáng)，新型的清潔材料將是制造業(yè)領(lǐng)域的研究重點，因此也是3D打印技術(shù)的研究趨勢。

3.3 3D打印技術(shù)的安全應(yīng)用問題

科技是一把雙刃劍，隨著科技的快速進(jìn)步，如今技術(shù)創(chuàng)新的周期明顯大為縮短，3D打印技術(shù)可以被廣泛應(yīng)用于軍事裝備制造，因此其具有一定的雙面性，雖然還沒有到駭人聽聞的程度，但仍需對其進(jìn)行一定程度的道德和法律約束，達(dá)到安全發(fā)展與應(yīng)用的目的。

4 結(jié)語

3D打印技術(shù)作為工業(yè)4.0中的熱門概念，已經(jīng)被人類盡可能最大化的開發(fā)和利用，尤其是裝備制造領(lǐng)域，隨著時間的推移，這項技術(shù)將會被更加廣泛和深刻的應(yīng)用于全球各個領(lǐng)域，推動科技進(jìn)步的快速發(fā)展。

（References）

［1］朱艷青，史繼富，王雷雷，等. 3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2015（12）∶50-57.

［2］古良玲，全曉莉. 3D打印技術(shù)在電子元器件研制中的應(yīng)用展望［J］.電子元件與材料，2014，33（1）.

［3］吳復(fù)堯，邱美玲，王斌. 3D打印無人機(jī)的研究現(xiàn)狀及問題分析［J］.飛航導(dǎo)彈，2015（10）∶20-25.

于霞（1984—），女，山東濰坊人，中國運載火箭技術(shù)研究院工程師，研究方向：技術(shù)創(chuàng)新管理。