3D打印技術(shù)在后勤裝備中的應(yīng)用研究

馮林+王巖+趙小兵

摘 要：為在后勤裝備保障中引入3D打印技術(shù)，本文闡述了3D打印技術(shù)的基本原理和核心理念，剖析了3D打印技術(shù)的主流分層加工工藝，通過(guò)與傳統(tǒng)加工模式的對(duì)比，揭示了3D打印技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。通過(guò)以上分析并結(jié)合后勤裝備的研制、生產(chǎn)和維修保障的特點(diǎn)，深入論證了3D打印技術(shù)在上述領(lǐng)域的應(yīng)用潛力和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：3D打??； 快速成型；增材制造； 概念模型

中圖分類號(hào)：TL364 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

3D打印技術(shù)是以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用特殊的成型設(shè)備，用液化、絲化、粉末化的材料，通過(guò)逐層添加堆積的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)模成型的一種快速成型技術(shù)。由于其將復(fù)雜的三維形狀的零部件制造轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的二維平面形狀的逐層打印，因此具備一體化“材料制備與精確成型”的特點(diǎn)。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)外日益受到重視，其關(guān)鍵技術(shù)研究不斷取得突破，性能不斷提升，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用取得一系列重要進(jìn)展，本文初步探討3D打印技術(shù)在后勤裝備的研制、生產(chǎn)和維修保障等方面的潛在需求及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1.3D打印技術(shù)分析

1.1 3D打印概念

3D打印技術(shù)又稱“增材制造”，是80年代末90年代初在美國(guó)興起的一項(xiàng)高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的最重大變革之一。 “增材制造”的核心理念是“分層處理、層面制造、逐層疊加”，由于其分層加工的過(guò)程與噴墨打印十分相似，故稱之為3D打印。

1.2 3D打印技術(shù)分類

按照分層加工的工藝不同，3D 打印技術(shù)主要分以下幾種。

（1）三維打印技術(shù)（Three Dimension Printing，3DP）：使用標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印技術(shù)，通過(guò)將液態(tài)聯(lián)結(jié)體鋪放在粉末薄層上，以打印橫截面數(shù)據(jù)的方式逐層創(chuàng)建三維實(shí)體模型。

（2）熔融層積成型技術(shù)（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）：將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時(shí)三維噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層截面。一層截面完成后，機(jī)器工作臺(tái)下降一個(gè)分層厚度再成型下一層，直至形成整個(gè)實(shí)體造型。

（3）立體平版印刷技術(shù)（Stereo Lithograph Apparatus，SLA）：以光敏樹脂為原料，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制激光按零件的各分層截面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。一層固化完成后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，然后在固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實(shí)體模型。

（4）UV紫外線成型技術(shù)（Ultraviolet Radiation Process，URP）：與SLA相似，不同的是其利用UV紫外線照射光敏樹脂，一層一層由下而上堆棧成型，成型的精度最高。

（5）激光成型技術(shù)（Digital Lighting Process，DLP）：與SLA相似，不同的是其使用高分辨率的數(shù)字光處理器（DLP）投影儀來(lái)固化液態(tài)光聚合物、逐層的進(jìn)行光固化，由于每層固化時(shí)通過(guò)幻燈片似的片狀固化，因此速度較SLA快。

（6）選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（Selected Laser Sintering，SLS）：通過(guò)預(yù)先在工作臺(tái)上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末），然后讓激光在計(jì)算機(jī)控制下按照截面輪廓信息對(duì)實(shí)心部分粉末進(jìn)行燒結(jié)。然后不斷循環(huán)，層層堆積成型。

1.3 3D打印技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的“減式”加工模式不同，3D打印創(chuàng)造性的通過(guò)逐層堆積材料實(shí)現(xiàn)了“加式”加工，由此帶來(lái)一系列革命性變化。

（1）促進(jìn)設(shè)計(jì)制造一體化

計(jì)算機(jī)輔助工藝（CAPP）在今后一段時(shí)期還無(wú)法實(shí)現(xiàn)與CAD、CAM完全無(wú)縫集成，設(shè)計(jì)制造一體化難以在此基礎(chǔ)上得到進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)。3D打印技術(shù)減少了機(jī)械加工，能直接從計(jì)算機(jī)模型數(shù)據(jù)中生成各種形狀的物體，突破了制約設(shè)計(jì)制造一體化的瓶頸。

（2）提高裝備結(jié)構(gòu)集成度

受傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝所限，裝備大多由若干零部件組裝起來(lái)構(gòu)成裝備的主體結(jié)構(gòu)。這種組裝式的結(jié)構(gòu)增加了產(chǎn)品的質(zhì)量、體積、輔助度和故障概率，同時(shí)在制造和組裝過(guò)程中浪費(fèi)大量的人力物力。3D打印技術(shù)的“加式”方法能夠?qū)崿F(xiàn)高性能或超常性能的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，甚至某些特殊結(jié)構(gòu)可通過(guò)一次成型而無(wú)須組裝，不僅提高了加工效率，也提高了裝備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與可靠性。

（3）加快裝備研發(fā)進(jìn)程

裝備原理樣機(jī)的試制通常需要消耗相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，是造成裝備研制周期滯后的主要因素之一。目前，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01mm，打印出的物體不僅可以展現(xiàn)外部造型設(shè)計(jì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)甚至運(yùn)動(dòng)部件也都可以完全呈現(xiàn)。同時(shí)可使用的材料種類逐漸豐富，從主流的高分子材料到金屬、石料，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，主流3D打印設(shè)備已經(jīng)可支持120余種材料進(jìn)行3D打印。打印速度方面，垂直可達(dá)到25.4mm/h以上。因此，3D打印技術(shù)有望縮短裝備原理樣機(jī)的制造時(shí)間，有利于加快裝備研發(fā)進(jìn)程。

2.3D打印技術(shù)應(yīng)用需求分析

2.1 3D打印發(fā)展趨勢(shì)分析

隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，先進(jìn)信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷在3D打印技術(shù)中得到應(yīng)用，3D打印技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出如下發(fā)展趨勢(shì)：

（1）3D打印效率和速度繼續(xù)提升。隨著并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印等工藝方法的成熟，打印速度和效率將會(huì)得到更大提升。

（2）3D打印材料更加廣泛多樣。隨著先進(jìn)材料的不斷發(fā)展，新聚合材料、納米材料、合成生物材料、功能梯度材料、非均質(zhì)材料及智能材料等都有望應(yīng)用于3D打印。

（3）3D打印設(shè)備成本大幅下降。隨著技術(shù)進(jìn)步及推廣應(yīng)用，3D打印設(shè)備呈現(xiàn)系列化、便捷化的趨勢(shì)，打印設(shè)備的成本將大幅下降。endprint

（4）3D打印應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展。3D打印技術(shù)早期主要運(yùn)用于航空、航天、機(jī)械、建筑等行業(yè)的模型制作。現(xiàn)在已開始用來(lái)制造飛機(jī)、汽車、等高科技含量零部件，甚至皮膚、骨骼等活體組織。有理由相信3D打印技術(shù)將在更加廣泛的行業(yè)和領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

2.2 3D打印技術(shù)在后勤裝備中的應(yīng)用需求分析

后勤裝備是實(shí)施后勤保障的裝備，是軍隊(duì)裝備的重要組成部分。后勤裝備又可分為通用后勤裝備和各軍兵種專用后勤裝備。例如：海軍專用后勤裝備是海軍實(shí)施后勤保障所使用的專用艦艇、飛機(jī)、車輛及設(shè)備、器材、裝具等的統(tǒng)稱。主要包括岸基裝備、海上裝備、岸海銜接裝備，涉及海軍軍需、衛(wèi)生、油料、運(yùn)輸補(bǔ)給、軍港勤務(wù)等不同專業(yè)。隨著軍隊(duì)建設(shè)的發(fā)展，后勤裝備將不斷提高技術(shù)水平，為此需要大量應(yīng)用3D打印技術(shù)在內(nèi)的新技術(shù)、新材料、新工藝。

2.2.1 3D打印技術(shù)在后勤裝備研制中的應(yīng)用需求

后勤裝備研制傳統(tǒng)上首先由承研單位完成裝備的總體設(shè)計(jì)，而后承研單位與承制單位合作完成裝備的工程設(shè)計(jì)，接下來(lái)由承制單位負(fù)責(zé)樣機(jī)試制，樣機(jī)出廠后再交由使用方進(jìn)行使用評(píng)價(jià)，根據(jù)使用方使用意見(jiàn)承研單位再對(duì)樣機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改完善，并由承制單位整改樣機(jī)，如此經(jīng)多次反復(fù)，才能完成研制工作。此設(shè)計(jì)研發(fā)流程如圖1所示。

從圖1中可知，各環(huán)節(jié)間甚至各環(huán)節(jié)內(nèi)部間缺乏交流溝通的統(tǒng)一平臺(tái)，研發(fā)流程完全是串行模式，致使研制效率較低，時(shí)間與開發(fā)成本較高。例如，在裝備總體設(shè)計(jì)階段，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)往往只能借助抽象的手繪草圖進(jìn)行方案設(shè)計(jì)討論，盡管CAD技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上建立3D模型，在一定程度上彌補(bǔ)平面設(shè)計(jì)的不足，但在精度、質(zhì)感、觸感的等各方面往往與預(yù)期的概念設(shè)計(jì)存在較大的偏差，不便于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)間以及各研制單位間就相關(guān)問(wèn)題展開交流，影響了方案比較分析的合理性。

通過(guò)應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以打造一個(gè)精準(zhǔn)的平臺(tái)，甚至帶來(lái)設(shè)計(jì)研發(fā)流程的變化。如圖2所示。

從圖中可知，由于具有3D打印技術(shù)平臺(tái)的支撐，設(shè)計(jì)研發(fā)流程引入了更多的并行工程方法，例如在總體方案階段，基于3D打印的概念模型能夠使承研單位、承制單位甚至使用方都能夠直觀地看到和觸摸各方案模型，比較各個(gè)方案下裝備的結(jié)構(gòu)、外形和功能的差別與優(yōu)缺點(diǎn)，從而更合理的確定最優(yōu)方案。同時(shí)3D打印的模型能夠更有效地反映出方案中存在的問(wèn)題，使得以往在后續(xù)環(huán)節(jié)才可能暴露的問(wèn)題可以在設(shè)計(jì)的早期階段就被發(fā)現(xiàn)并加以解決，最大限度地減少設(shè)計(jì)反復(fù)，縮短裝備研制時(shí)間，節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)。甚至對(duì)于某些器材和裝具的樣機(jī)試制，完全有可能利用3D打印技術(shù)直接“打印”出原理樣機(jī)。

2.2.2 3D打印技術(shù)在后勤裝備小批量生產(chǎn)中的應(yīng)用需求

各軍兵種作戰(zhàn)裝備專業(yè)化程度高，后勤保障往往呈現(xiàn)“一對(duì)一”的特殊性，相當(dāng)數(shù)量的后勤裝備尤其是專用后勤裝備主要采取小批量生產(chǎn)的方式。這與傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)追求大批量、流水線作業(yè)的方式有很大不同，容易出現(xiàn)零部件采購(gòu)周期長(zhǎng)、單位成本高、各批次間質(zhì)量控制難等問(wèn)題。3D打印技術(shù)恰恰最適合定制化的專門領(lǐng)域，應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行小批量裝備的生產(chǎn)完全可以利用一臺(tái)設(shè)備創(chuàng)建出裝備的各個(gè)部件，然后直接組裝成型。

2.2.3 3D打印技術(shù)在后勤裝備維修保障中的應(yīng)用需求

3D打印技術(shù)具有快速制造的特點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，美軍研發(fā)了基于3D打印技術(shù)的“移動(dòng)零件醫(yī)院”并將其投入阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際使用，能根據(jù)需求快速地進(jìn)行零部件的小批量生產(chǎn)與修復(fù)。美軍甚至正在開發(fā)可以放到背包中的3D打印設(shè)備以便戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下快速?gòu)?fù)制零件。后勤裝備現(xiàn)場(chǎng)級(jí)維修以換件修理為主，以海軍為例：其涉及在遠(yuǎn)海條件下的后勤裝備，過(guò)去為了保證戰(zhàn)備完好性，出航準(zhǔn)備期間需要補(bǔ)充相當(dāng)比例的備品備件，給后勤保障造成很大負(fù)擔(dān)。3D打印技術(shù)為解決上述問(wèn)題提供了有效的技術(shù)手段，進(jìn)一步減輕后勤保障壓力。

結(jié)論

3D打印技術(shù)正在飛速發(fā)展，技術(shù)潛力逐漸發(fā)揮，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。為此，加強(qiáng)3D打印技術(shù)在后勤裝備中的應(yīng)用研究，對(duì)促進(jìn)后勤裝備建設(shè)意義重大。

參考文獻(xiàn)

[1]羅大成，劉延飛，王照峰，等.3D打印技術(shù)在武器裝備維修中的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化儀表，2017 （4）：32-36.

[2]王華明.高性能金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)開啟國(guó)防制造新篇章[J].國(guó)防制造技術(shù)，2013（6）：5-7.

[3]董潔，趙升祥，鐵梅.3D打印技術(shù)——掀起制造技術(shù)的新革命[J].科技智囊，2013（5）：79-84.

[4]張楠，李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)未來(lái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2013（7）：97-99.

[5]安孟長(zhǎng)，徐曼，董正強(qiáng)，等.2012世界軍民兩用技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)回顧[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2013（1）：8-11.endprint