3D打印技術(shù)在車輛裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修中的應(yīng)用

紀(jì)培彬，李慧梅，楊 明，唐彥峰

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

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3D打印技術(shù)在車輛裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修中的應(yīng)用

紀(jì)培彬1，李慧梅2，楊 明1，唐彥峰2

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

為更好地滿足車輛裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修要求，研究將3D打印技術(shù)引入到車輛裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修領(lǐng)域。分析3D打印技術(shù)應(yīng)用于車輛裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修的可行性，論述3D打印技術(shù)應(yīng)用于車輛裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修中的方法，提出3D打印技術(shù)應(yīng)用于車輛裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修中的關(guān)鍵技術(shù)。

戰(zhàn)場(chǎng)搶修；車輛裝備；3D打印

作為集機(jī)動(dòng)性、防護(hù)性及信息能力為一體的武器裝備作戰(zhàn)平臺(tái)，新型車輛裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用越來越大，對(duì)其使用完好性和任務(wù)持續(xù)能力要求越來越高。為了贏得戰(zhàn)爭的勝利，對(duì)其實(shí)施有效地保障尤為重要。而隨著車輛裝備技術(shù)含量的增高和其復(fù)雜程度的提升，保障系統(tǒng)規(guī)模也越來越龐大，這給部隊(duì)維修保障帶來很大的壓力。探索新的維修方法和先進(jìn)維修技術(shù)的應(yīng)用，以提高維修效率、減少保障壓力成了一個(gè)亟需解決的問題。

3D打印技術(shù)作為一門新興技術(shù)，在交通、醫(yī)療、軍事、教育以及航空航天等多種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，3D打印技術(shù)在我軍武器裝備維修領(lǐng)域已有初步探索，軍隊(duì)相關(guān)院校如原裝甲兵工程學(xué)院、原軍械工程學(xué)院等不同程度地開展了3D打印用于維修的研究[1]。借助3D打印技術(shù)對(duì)車輛裝備進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)搶修，可以實(shí)現(xiàn)備件、維修工具等戰(zhàn)時(shí)按需生產(chǎn)，從而減小保障規(guī)模、提高保障效率。

1 可行性分析

1.1技術(shù)可行性分析

跟傳統(tǒng)模型制作相比，3D打印具有傳統(tǒng)模具制作所不具備的性能優(yōu)勢(shì)[2]：①打印過程與零部件的復(fù)雜程度無關(guān)；②打印生產(chǎn)成本與生產(chǎn)批量無關(guān)；③打印生產(chǎn)周期短；④打印材料無浪費(fèi)。

3D打印技術(shù)本身也存在一些局限性。例如，打印時(shí)間較長，打印實(shí)體尺寸受限等，這些均會(huì)造成一定的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。但是，3D打印在打印尺寸和打印速度上的不足并非不可克服。例如：Jasper Menger研制了一款機(jī)械臂3D打印機(jī)，打印尺寸最大可達(dá)8 m×3 m×2 m[3]。意大利Dynamo 3D 研制出了一款打印速度高達(dá)400 mm/s的 3D打印機(jī)[4]。另外，如果3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，即增材技術(shù)和減材技術(shù)的結(jié)合，將很大程度提高3D打印的速度以及精度。所以，不斷發(fā)展的3D打印技術(shù)，對(duì)于車輛裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修來說，其技術(shù)上是可行的。

1.2實(shí)裝應(yīng)用可行性分析

隨著3D打印技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，其在實(shí)裝使用方面也日臻成熟。 美國陸軍快速裝備部隊(duì)(REF)在戰(zhàn)區(qū)部署了第二個(gè)移動(dòng)遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室(ELM)，使用3D打印機(jī)和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制設(shè)備，修復(fù)在作戰(zhàn)中受損的飛機(jī)和地面車輛。美國海軍也將3D打印機(jī)規(guī)劃為海上船只的標(biāo)配設(shè)備，不僅可為行駛中的船只打印供臨時(shí)使用的零件，還可用來打印無人機(jī)群，擬實(shí)現(xiàn)“海上制造”的能力。

我軍在“補(bǔ)給-2015行動(dòng)”中，西部戰(zhàn)區(qū)后勤部門成功應(yīng)用了集成在戰(zhàn)場(chǎng)搶修車中的3D打印設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急打印了車輛的聯(lián)軸器，節(jié)約了人力，提高了搶修效率[5]。

由此可見，3D打印技術(shù)已經(jīng)初步適應(yīng)野戰(zhàn)環(huán)境條件。隨著3D打印技術(shù)日臻完善，將不斷克服野戰(zhàn)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性問題，提高野戰(zhàn)化應(yīng)用程度。

2 應(yīng)用方法

車輛裝備戰(zhàn)損后，首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行損傷評(píng)估，對(duì)于不影響當(dāng)前任務(wù)的損傷裝備，不予以搶修，正常使用。對(duì)于影響當(dāng)前任務(wù)的損傷裝備，按照損傷程度，可以依次采取應(yīng)急使用、現(xiàn)場(chǎng)搶修、后送修理和報(bào)廢等4種處理方式。

現(xiàn)場(chǎng)搶修中，優(yōu)先采用的方法是換件修理。換件修理是指使用備用的部件替換有功能故障的、損壞的或磨損的部件。但是，車輛零部件眾多，數(shù)量龐大，很難保證攜帶足夠匹配的備件。當(dāng)沒有備件或條件不允許時(shí)，可以按照維修工作由易到難、資源消耗由少到多、搶修時(shí)間由短到長的順序，選擇切換、切除、重構(gòu)、拆拼、替代、原件修復(fù)、制配等方式予以搶修[6]。

2.1搶修內(nèi)容

(1)制造零件。在戰(zhàn)場(chǎng)上，車輛裝備由于戰(zhàn)場(chǎng)損傷無法完成預(yù)定任務(wù)，得不到備件進(jìn)行維修的情況時(shí)有發(fā)生。利用3D打印技術(shù)實(shí)時(shí)制造零件，能有效解決類似問題。3D打印尤其適用于制造以下類型的零件：①較重要的易損件；②不攜帶的不易損件；③占空比大的零件；④可暫時(shí)用其他材料替代的金屬零件；⑤結(jié)構(gòu)可簡化的零件；⑥尺寸可調(diào)整的零件；⑦已停止生產(chǎn)的零件。

(2)制造維修工具設(shè)備。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，維修工作難免會(huì)遇到維修工具準(zhǔn)備不到位的情況。利用3D打印技術(shù)，一線維修人員可根據(jù)預(yù)先準(zhǔn)備的圖紙，現(xiàn)場(chǎng)打印維修所需的維修工具或設(shè)備，必要時(shí)還可由后方設(shè)計(jì)人員根據(jù)前線維修需求臨時(shí)設(shè)計(jì)新的維修工具和設(shè)備，再利用前線部署的3D打印機(jī)制造定制的維修工具[7]。

2.2搶修方法

(1)現(xiàn)場(chǎng)搶修的換件修理。利用3D打印系統(tǒng)，幫助維修人員利用三維模型和3D打印設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)快速生產(chǎn)原型產(chǎn)品。

(2)現(xiàn)場(chǎng)搶修中的重構(gòu)。重構(gòu)是指系統(tǒng)損傷后，利用搶修器材或就便物資，重新構(gòu)成能完成其基本功能的系統(tǒng)。如桿類零件折斷后的焊修、表面裂紋的粘接焊修、管類零件的修復(fù)等。利用3D打印系統(tǒng)，可以對(duì)折斷、裂紋等進(jìn)行自由臂原位修復(fù)，也可以現(xiàn)場(chǎng)打印損壞部分，予以更換。

(3)現(xiàn)場(chǎng)搶修中的原件修復(fù)。原件修復(fù)即利用在現(xiàn)場(chǎng)上實(shí)用的手段恢復(fù)損傷單元的功能或部分功能，以保證裝備完成當(dāng)前任務(wù)或自救。為完成修復(fù)任務(wù)，可應(yīng)用刷鍍、噴涂、粘接、堵漏等技術(shù)。利用3D打印系統(tǒng)，可以打印堵漏塞等修復(fù)器材，也可以按照重構(gòu)的方式，打印破損段進(jìn)行原件修復(fù)。

(4)現(xiàn)場(chǎng)搶修中的制配。制配即自制元器件、零部件以替換損傷件，分為按圖制配、按原件(品)制配、無樣件(品)制配等。利用3D打印系統(tǒng)，可以對(duì)破損件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制配。由于戰(zhàn)場(chǎng)上時(shí)間因素的約束，制配時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)損傷部件進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，保留主要功能，以節(jié)約打印時(shí)間。

(5)后送修理。可在后方保障機(jī)構(gòu)配置3D打印系統(tǒng)，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上后送的損壞件進(jìn)行備件、工具、器材等的打印和更換。

2.3搶修模式

(1)伴隨保障?？梢詫?D打印機(jī)安裝在搶修車上，伴隨轉(zhuǎn)場(chǎng)，當(dāng)車輛裝備出現(xiàn)故障或損壞，視情打印、換件或維修。

(2)巡回修理。在兩車一組的巡回修理中，可在修理車或保養(yǎng)車上安裝一臺(tái)3D打印機(jī)，當(dāng)配件不足或不匹配時(shí)，可采用3D打印進(jìn)行維修。

(3)駐地維修。對(duì)于后送的戰(zhàn)損裝備，當(dāng)配件儲(chǔ)存量不足或有特殊件損壞不易維修的，可使用3D打印進(jìn)行打印配件。

(4)遠(yuǎn)程維修。充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將3D打印與遠(yuǎn)程診斷相結(jié)合，可采用前方診斷、數(shù)據(jù)傳回、打印配件、送達(dá)配件進(jìn)行維修。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1權(quán)衡分析技術(shù)

受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、車輛裝備戰(zhàn)損件的特性以及3D打印技術(shù)的特點(diǎn)限制，并不是所有的車輛裝備零部件都適用于3D打印，所以需要利用權(quán)衡技術(shù)對(duì)3D打印件進(jìn)行選取。

研究影響車輛裝備應(yīng)急搶修的各種因素，如根據(jù)損傷模式和損傷機(jī)理確定的部件搶修需求，部件搶修的時(shí)間限制、費(fèi)用限制、質(zhì)量要求，部件本身的損傷程度、重要程度和個(gè)性化程度等，分析各個(gè)因素在不同時(shí)期、不同用途和不同要求下的權(quán)重轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用運(yùn)籌學(xué)中的權(quán)衡建模方法，建立用于權(quán)衡車輛裝備的某個(gè)部件或某個(gè)工具是否可用3D打印的權(quán)衡模型。

3.2代用材料技術(shù)

3D打印能夠打印金屬、尼龍、塑料、光敏樹脂等不同材料，塑料(如ABS、PLA等)打印精度和速度都比較高、成本低，而金屬和尼龍則成本高、速度慢，且適用的打印機(jī)造價(jià)高、數(shù)量少?？梢姡x擇不同的材料，對(duì)3D打印現(xiàn)場(chǎng)搶修的效率、成本有重要的影響。結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)搶修的要求，可適當(dāng)降低維修的標(biāo)準(zhǔn)，使用代用材料打印零件，保證車輛裝備能夠完成作戰(zhàn)任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間工作。因此，研究能夠滿足戰(zhàn)場(chǎng)搶修應(yīng)用的代用材料，提高打印速度，是一種需要著重研究的技術(shù)。

3.3控制策略技術(shù)

目前，在3D打印技術(shù)中，由于3D打印方法和材料的限制，如果想提高打印的效率，很大程度上取決于3D打印控制技術(shù)。

3D打印控制技術(shù)主要是研究3D打印噴頭行走路徑的控制算法。3D打印噴頭行走多余的路徑，將降低打印速度；3D打印路線的變化更會(huì)影響打印件的力學(xué)性能。所以需要利用控制系統(tǒng)理論及路徑規(guī)劃方法，針對(duì)不同的打印需求，從速度、精度、質(zhì)量等方面，研究3D打印的控制策略和打印路線，以最少的時(shí)間和成本完成打印需求。

3.4野戰(zhàn)適應(yīng)性技術(shù)

應(yīng)急搶修環(huán)境惡劣，經(jīng)常需要野戰(zhàn)機(jī)動(dòng)，而3D打印對(duì)精度要求比較高，需要對(duì)野戰(zhàn)環(huán)境的需求進(jìn)行研究。其中，震動(dòng)是影響精度的重要因素，因此，研究防震技術(shù)或容震技術(shù)是應(yīng)用于實(shí)踐的首要問題。

目前，防震技術(shù)可分為被動(dòng)式防震技術(shù)和主動(dòng)式防震技術(shù)。

被動(dòng)式防震技術(shù)無需對(duì)3D打印機(jī)內(nèi)部進(jìn)行改造，也就是不需要3D打印機(jī)內(nèi)再加裝任何軟件和電子元器件，只是在3D打印件外部加裝減震的緩沖層或減震的元器件。例如：在3D打印機(jī)的周圍填充一些海綿或橡膠材質(zhì)可以吸收震動(dòng)的緩沖層，從而可以避免一些偶爾的顛簸或者輕微的顛簸對(duì)3D打印機(jī)所造成損傷；或者在3D打印機(jī)底部加裝減震彈簧，減震彈簧的效果比海綿等的緩沖層的減震效果更好。

主動(dòng)式防震技術(shù)在被動(dòng)式技術(shù)的基礎(chǔ)上還需加入加速感應(yīng)芯片，判斷3D打印機(jī)是不是處于震動(dòng)中或跌落狀態(tài)，還需預(yù)裝在系統(tǒng)中的特殊軟件對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行管理，也就是所謂的軟硬結(jié)合，可以最大限度保證3D打印機(jī)在頻繁的震動(dòng)或顛簸下的打印安全。當(dāng)3D打印機(jī)出現(xiàn)了振動(dòng)、撞擊或者跌落，主動(dòng)式防震技術(shù)會(huì)以毫秒為單位迅速將3D打印機(jī)的噴頭從工作狀態(tài)收回到噴頭停止區(qū)，從而減小撞擊對(duì)3D打印機(jī)的損害，保護(hù)3D打印機(jī)以及所打印的目標(biāo)零部件。

除了防震外，在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，3D打印機(jī)還要適應(yīng)其他野戰(zhàn)環(huán)境，如風(fēng)沙、高溫、高寒、潮濕、電磁等，這些都是3D打印應(yīng)用于搶修實(shí)踐的制約因素和關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，3D打印如果要真正在戰(zhàn)場(chǎng)中得到充分應(yīng)用，還要解決其他一些關(guān)鍵技術(shù)，如3D打印機(jī)本身的可靠性、生存性、測(cè)試性、維修性、保障性和環(huán)境適應(yīng)性等質(zhì)量特性。

4 結(jié) 語

3D打印技術(shù)的特點(diǎn)很好地吻合了我軍車輛裝備維修“以最少的維修資源消耗，取得最好的維修效益”的原則，在我軍車輛裝備維修領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?/p>

隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和車輛裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修3D 打印技術(shù)體系的不斷發(fā)展，3D 打印技術(shù)將有效解決我軍車輛裝備在戰(zhàn)場(chǎng)搶修中存在的維修備件不足且不易獲取等實(shí)際問題，必將在車輛裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修方面發(fā)揮著不可替代的作用。

[1] 朱勝,柳建,殷鳳良,等. 面向裝備維修的增材再制造技術(shù)[J]. 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),2014(1):81-85.

[2] 陳淳輝.芻議3D打印技術(shù)在艦船裝備維修保障中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2015 (1):46-60.

[3] 中國3D打印機(jī)網(wǎng).帶機(jī)器人臂的3D打印機(jī)可打印8米長對(duì)象[EB/OL].(2015-03-24)[2017-03-20].http://www.china3dprint.com/news/9623.html.

[4] 中國3D打印機(jī)網(wǎng).意大利DYNAMO公司推出快速打印的D3D一EVO 3D打印機(jī)[EB/OL].(2014-07-19) [2017-03-20].http://www.3ddayin.net/news/7808.html.

[5] 歐陽治民. 3D打印提升裝備野戰(zhàn)搶修效率[N].解放軍報(bào)，2015-08-12(2).

[6] 甘茂治,康建設(shè),高崎.軍用裝備維修工程學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005:317-315.

[7] CAFFREY T.Additive manufacturing and 3D printing state of the industry annual worldwide progress report[J].Engineering Management Research,2013,2(1):209-222.

(編輯：孫協(xié)勝)

Applicationof3DPrintingTechnologyinVehicleEquipmentBDAR

JI Peibin1, LI Huimei2, YANG Ming1, TANG Yanfeng2

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

In order to meet the requirements of vehicle equipment BDAR, the paper introduces 3D printing technology into the field of vehicle equipment BDAR. It firstly analyzes the feasibility and methods of applying 3D printing technology in vehicle equipment BDAR. Then, it provides key technologies of applying 3D printing technology in vehicle equipment BDAR.

battlefield damage assessment and repair (BDAR); vehicle equipment; 3D printing

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.008

E246

A

1674-2192(2017)10- 0029- 04

2017-04-20；

2017-05-26.

紀(jì)培彬(1992—)，男，碩士研究生；唐彥峰(1962—)，男，碩士，教授，碩士研究生導(dǎo)師.