3D打印應(yīng)用于車輛低壓管路的搶修設(shè)計與試驗(yàn)

封會娟，楊 明，唐彥峰，李慧梅

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161; 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

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● 裝備保障 Equipment Support

3D打印應(yīng)用于車輛低壓管路的搶修設(shè)計與試驗(yàn)

封會娟1，楊 明2，唐彥峰1，李慧梅1

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161; 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

在對3D打印技術(shù)的原理、技術(shù)、材料和應(yīng)用情況進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，選取車輛易損件低壓油管為研究對象，分析其功能特性和損傷特點(diǎn)，設(shè)計其3D打印搶修方案，并按照搶修方案進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，3D打印技術(shù)應(yīng)用于車輛裝備低壓油管的搶修是可行且有效的，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)場搶修值得探索研究。

3D打??；車輛裝備；低壓油管；戰(zhàn)場搶修

信息化聯(lián)合作戰(zhàn)背景下，車輛裝備的使用任務(wù)已經(jīng)由簡單的運(yùn)輸工具，提升為遠(yuǎn)程機(jī)動、兵力投送以及信息化武器裝備的作戰(zhàn)平臺。車輛裝備的管路系統(tǒng)十分復(fù)雜，在制動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)中都有各類不同功能的管路。其中，回油管、冷卻水管等低壓管路是重要的功能件，在戰(zhàn)場條件下最易遭到彈片散射而發(fā)生損傷，嚴(yán)重影響車輛裝備的使用性能和任務(wù)完成，需要實(shí)施快速有效的搶修。目前，低壓管路的搶修主要是換件、替代和修補(bǔ)等，雖簡單成熟，但需要攜帶大量的備件或器材，不僅造成了一定的保障負(fù)擔(dān)，還會出現(xiàn)由于攜帶的備件或器材不適用而無法修復(fù)的情況。

3D打印作為一種發(fā)展迅速的新興技術(shù)，因具有快速成型、制造程序簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)在各國軍事領(lǐng)域均展現(xiàn)了強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。例如，美陸軍先后部署了兩個移動遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室，用于裝備維修保障；美海軍則直接提出了將3D打印作為艦船標(biāo)配實(shí)現(xiàn)海上制造的能力[1]。我軍雖然也進(jìn)行了初步探索，且目前在以裝甲兵工程學(xué)院為主的再制造維修方面已有深入研究，但在戰(zhàn)場快速搶修方面則基本空白。文章以低壓油管為突破口，研究戰(zhàn)場環(huán)境下利用3D打印進(jìn)行搶修的方法，以期為車輛裝備戰(zhàn)場搶修進(jìn)行探索研究。

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)是指通過連續(xù)的物理層疊加，將材料沉積或黏合為材料層來生成三維實(shí)體的技術(shù)，又稱為“增材制造”技術(shù)。與傳統(tǒng)機(jī)械制造工藝不同，3D打印技術(shù)無需原胚和模具，可以根據(jù)三維圖形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自由制造[2]。其成型過程如下：①通過專業(yè)的3D掃描儀或使用SolidWorks、AutoCAD等三維建模軟件建立工件的三維數(shù)字化模型；②通過專業(yè)的軟件對模型進(jìn)行切片處理，將其轉(zhuǎn)化成打印機(jī)可以識別的二進(jìn)制代碼；③將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入3D打印機(jī)，逐層打印獲得模型實(shí)體；④模型打印完成去除支撐、底座，完成打印件[3]。

3D打印的主流技術(shù)包括FDM、3DP、SLA、SLS、LOM等，其主要區(qū)別在于使用的耗材和成型方法不同(見表1)。

表1 3D打印的主流技術(shù)

隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。從過去主要應(yīng)用于模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域的模型制作與設(shè)計研發(fā)，發(fā)展到廣泛應(yīng)用于裝備設(shè)計與制造、裝備保障、航空航天、建筑、汽車、土木工程等眾多領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊[4]。

2 低壓油管3D打印搶修方案設(shè)計

利用3D打印技術(shù)實(shí)施低壓油管搶修，首先要對其進(jìn)行3D打印搶修方案設(shè)計。包括搶修方法、3D模型、所用材料、所用設(shè)備及打印參數(shù)等。

2.1 搶修方法設(shè)計

3D打印技術(shù)應(yīng)用于搶修的優(yōu)勢，在于可以根據(jù)損傷程度靈活地調(diào)整模型尺寸實(shí)現(xiàn)按需訂制。結(jié)合傳統(tǒng)搶修方法，擬定以下兩種搶修方案，裝配方法如圖1所示。

(1)對于損傷尺寸相對較長(一般>15 cm)的油管，可打印外徑與損壞的低壓油管外徑相同的管件，利用快速接頭將打印管件與破損的低壓油管兩端固定(如圖1(a)所示)。

(2)對于損傷尺寸較短(一般≤15 cm)的油管，可打印內(nèi)徑與損傷的低壓油管外徑相同的管件，利用密封膠或采用加熱膨脹方式，將打印件與破損的低壓油管兩端固定。此種方法應(yīng)用時要注意考慮材料收縮比和管件配合，合理調(diào)整管件尺寸(如圖1(b)所示)。

圖1 低壓油管搶修的兩種裝配方法

2.2 油管的3D模型設(shè)計

(1)三維幾何模型設(shè)計。采用SolidWorks三維構(gòu)圖軟件對油管進(jìn)行建模，建立相應(yīng)尺寸的三維模型。油管模型的內(nèi)徑、長度可根據(jù)破損管路的尺寸做相應(yīng)調(diào)整(如圖2所示)。

(2)切片處理。將 3D模型轉(zhuǎn)換成3D打印可識別的STL 文件格式，調(diào)整誤差，然后通過分層控制軟件對3D模型文件進(jìn)行位置和尺寸調(diào)整，選擇成型方式并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，完成切片處理并生成打印機(jī)可以識別的數(shù)據(jù)文件(如Gcode文件)，分層切片過程如圖3所示。

圖2 低壓油管的三維模型

圖3 分層切片過程

2.3 打印材料分析與選取

材料性能是低壓油管最為重要的指標(biāo)，它決定了低壓油管能否適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。分析現(xiàn)有打印耗材與低壓油管的技術(shù)特性指標(biāo)可知，尼龍、碳纖維、以PLA材料為代表的工程塑料都可以作為低壓油管的暫時代用材料。其中：尼龍、碳纖維材料一般是采用激光燒結(jié)的成型方法，成本相對較高而且打印設(shè)備較為龐大；PLA材料機(jī)械性能及物理性能優(yōu)異，具有良好的流動性、熱穩(wěn)定性，加工溫度170～230 ℃，打印成品成型好、外觀光滑[5]。因此，綜合考慮材料特性以及戰(zhàn)場搶修的時效性要求，選擇PLA材料作為低壓油管3D打印搶修的耗材。

2.4 打印設(shè)備分析與選取

PLA材料一般以FDM的成型方法進(jìn)行3D打印，與SLA、SLS等方法相比，該方法成型速度快、成本低、打印設(shè)備的體積相對較小，且使用維護(hù)簡單，非常適用于戰(zhàn)場復(fù)雜環(huán)境。因此，選擇基于FDM原理的Softsmart-40s型打印機(jī)作為打印設(shè)備。

2.5 打印參數(shù)分析與設(shè)置

打印過程中的參數(shù)設(shè)置對打印件的質(zhì)量影響重大。本文主要對分層厚度、打印溫度、填充率3個參數(shù)進(jìn)行研究，其他參數(shù)對打印精度和質(zhì)量影響不大，暫不做研究。

(1)打印溫度。打印溫度與PLA材料的基本性能和噴頭的相關(guān)設(shè)置有關(guān)。 PLA材料流動性最好的溫度范圍為210～225 ℃，因此選擇打印溫度為215 ℃。

(2)填充率。打印機(jī)的默認(rèn)值為20%，為了保證低壓油管的使用性能，填充率設(shè)為100%，以保證較好的打印強(qiáng)度。

(3)分層厚度。層厚的選擇對成品的拉伸強(qiáng)度和打印品質(zhì)有著直接關(guān)系，層厚越小，成品縱向拉伸強(qiáng)度越大，結(jié)構(gòu)更加致密。不同層厚對打印誤差影響也存在差異[6]，其影響如圖4所示。綜合考慮，選擇0.15 mm的層厚，以保證較高的打印品質(zhì)。

圖4 不同層厚對打印誤差的影響

3 低壓油管3D打印試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)背景

在某次演習(xí)行動中，一輛負(fù)責(zé)兵力物資運(yùn)輸?shù)腅Q1118G遭到埋伏，發(fā)生損傷。經(jīng)檢測，其油箱的出油管出現(xiàn)破裂漏油情況，需立即搶修。

3.2 試驗(yàn)過程

(1)損傷評估。通過戰(zhàn)場損傷評估，油管的斷裂部分尺寸大約為100 mm，演習(xí)現(xiàn)場沒有配備相應(yīng)的替換件及器材，無法按傳統(tǒng)的搶修方法進(jìn)行維修。因此，擬采用搶修車上的3D打印機(jī)實(shí)施搶修，考慮斷裂尺寸較小，選取第2種搶修方法。

(2)提取3D打印模型。調(diào)取第2種搶修方法相應(yīng)的油管3D模型文件，并將其按12 cm的尺寸予以調(diào)整。通過SD卡將Gcode文件導(dǎo)入3D打印機(jī)準(zhǔn)備實(shí)施打印。

(3)實(shí)施打印。選取由哈工大研發(fā)的Softsmart-40s型打印機(jī)，該打印機(jī)的最小尺寸分辨率是0.6 mm，可以滿足低壓油管的打印要求。其規(guī)格參數(shù)見表2。

表2 Softsmart-s型3D打印機(jī)規(guī)格參數(shù)

按照打印方案中的參數(shù)設(shè)置對打印機(jī)進(jìn)行打印溫度、層厚、填充率等基本的參數(shù)設(shè)置，選取模型文件，3D 打印機(jī)主板里固化的軟件開始讀取文件，并控制逐層打印。

(4)打印成品。經(jīng)過約30 min的打印，獲取了成型的3D打印油管(如圖5所示)。

圖5 3D打印低壓油管成品

(5)實(shí)車裝配。將車輛上低壓油管的破損部位切除，清潔切除處并將毛刺清理干凈。將打印成品兩端套在破損低壓油管上使其緊密配合，并用密封膠密封連接部分(如圖6所示)。

圖6 打印件實(shí)車安裝試驗(yàn)

(6)實(shí)車運(yùn)行。啟動車輛并試運(yùn)行，搶修的低壓油管恢復(fù)正常供油，經(jīng)過長時間運(yùn)行(從損傷地點(diǎn)回營地)，沒有發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象及其他故障，車輛恢復(fù)了正常運(yùn)行。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)過程中，首先根據(jù)破損管路的直徑及長度打印所需的3D搶修件，并進(jìn)行完全配合安裝，使搶修具有針對性和精確性；其次，利用3D搶修件修復(fù)的管路，能夠長時間運(yùn)行而不需更換新管，提高了搶修工作的有效性；然后，在野外運(yùn)行環(huán)境中成功開展了打印和搶修工作，初步檢驗(yàn)了3D打印設(shè)備的野戰(zhàn)適應(yīng)性，為3D打印搶修的應(yīng)用研究提供了實(shí)踐支撐。

4 結(jié) 語

本文以低壓油管為研究對象，采用FDM成型方法，利用所設(shè)計的3D打印搶修方案，有效開展了實(shí)車試驗(yàn)，證明了3D打印技術(shù)應(yīng)用于車輛裝備戰(zhàn)場搶修的可行性和有效性。隨著3D打印技術(shù)本身的不斷成熟，以及應(yīng)用于戰(zhàn)場搶修研究的深入，3D打印技術(shù)必將成為戰(zhàn)場搶修的重要手段，以其精確、簡便、快速等優(yōu)勢，可為現(xiàn)有戰(zhàn)場搶修體系提供一種新的思路和方法。

[1] MARY J. WERKHEISER.3D Printing in Zero-G ISS Technology Demonstration[C].AIAA 2014-4470.

[2] 王雪瑩. 3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè),2012(26):3-5.

[3] 李青,王青. 3D打印:一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志,2013(04):29-35.

[4] 程美. 3D打印技術(shù)及其在汽車制造業(yè)中的創(chuàng)新應(yīng)用[J]. 模具制造,2014(08):79-81.

[5] 陳慶,曾軍堂,陳韋坤. 3D打印塑料材料技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 新材料產(chǎn)業(yè),2015(06):27-32.

[6] 王菊霞. 3D打印技術(shù)在汽車制造與維修領(lǐng)域應(yīng)用研究[D].吉林大學(xué),2014.

(編輯：孫協(xié)勝)

Design and Experiment of Applicating 3D in Emergency Maintenance of Vehicle Low-pressure Pipeline

FENG Huijuan1， YANG Ming2， TANG Yanfeng1， LI Huimei1

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

After introducing the theory, technology, material and application status of 3D printing technology, the paper chooses low-pressure pipeline as the study object and analyzes its function and damage characteristics, and designs an emergency maintenance plan and tests the plan with real vehicle. The test proves that 3D printing technology is feasible and effective in low-pressure pipeline repair and its worth to explore and study the application of 3D printing technology in BDAR.

3D printing; vehicle equipment; low-pressure pipeline; BDAR

2016-08-12；

2016-09-23．

軍事交通學(xué)院科研計劃項(xiàng)目(2016B44).

封會娟(1980—)，女，博士，講師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.12.010

E246

A

1674-2192(2016)12- 0039- 04