3D打印技術(shù)在航空兵場站的應(yīng)用研究

劉宇杰 秦敬輝

（空軍勤務(wù)學院，徐州 221000）

3D打印技術(shù)在航空兵場站的應(yīng)用研究

劉宇杰 秦敬輝

（空軍勤務(wù)學院，徐州 221000）

針對3D打印技術(shù)在航空兵場站飛行保障中的應(yīng)用空白，從3D打印技術(shù)的特點出發(fā)，研究了其在航空兵場站生活、裝備、物資、衛(wèi)生等保障領(lǐng)域的應(yīng)用前景，找出了3D打印技術(shù)在航空兵場站應(yīng)用需要解決的問題，為航空兵場站應(yīng)用3D打印技術(shù)提供了思路與建議。

3D打印，航空兵場站，飛行保障

1 3D打印技術(shù)的特點與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 3D打印技術(shù)的特點

3D打印技術(shù)是一種利用計算機輔助設(shè)計軟件仿真設(shè)計后，通過3D打印設(shè)備以材料累加的方式制成實物的增材制造技術(shù)。其實質(zhì)是一系列快速成型技術(shù)的統(tǒng)稱，基本原理是疊層制造，由快速成型機在二維平面內(nèi)通過掃描形成工件的截面形狀，而在第三維度上不間斷地作層面厚度的位移，最終形成三維制件。目前，較為成熟的快速成型技術(shù)主要包括三維打印技術(shù)（3DP）、熔融層積成型技術(shù)（FDM），立體平版印刷技術(shù)（SLA）、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、激光成型技術(shù)（DLP），以及紫外線成型技術(shù)（UV）等。

3D打印技術(shù)的特點主要包括以下5個方面：一是可輕松制造復(fù)雜物品。在計算機輔助設(shè)計軟件的幫助下，3D打印技術(shù)可以輕松地制造各種復(fù)雜的物品，對于制造多樣少量的物品來說，可大幅縮減定制成本和造型成本，能夠滿足個性化物品制造的低成本要求。二是無需零件拼裝。3D打印技術(shù)可以一次性將一整件物品打印出來，無需各零部件在生產(chǎn)線上進行組裝，制造快捷、高效，縮短了產(chǎn)品供應(yīng)鏈，可滿足對物品制造時間短的要求。三是零時間、零庫存、零技能制造。3D打印機操作便捷，只需要按照設(shè)計文件中的指示就能在物品需求提出后即刻打印，零時間交付，減少甚至無需實物庫存，降低了庫存采購與保管費用。四是突破傳統(tǒng)設(shè)計理念。利用3D打印技術(shù)可以完成受傳統(tǒng)生產(chǎn)工具限制的各種前衛(wèi)物品的設(shè)計，并且可以通過材料的無限組合，制造出更加符合需求的各種新產(chǎn)品，是物品創(chuàng)新設(shè)計的利器。五是打印精確而環(huán)保。3D打印機可以精確打印出各種物品，而不會產(chǎn)生廢棄的副產(chǎn)品，不僅節(jié)省了原材料，還提高了物品的制造效率，符合綠色經(jīng)濟發(fā)展要求[1]。

1.2 3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)在國外起步較早，應(yīng)用廣泛。1984年，Charles Hull發(fā)明了將數(shù)字資源打印成三維立體模型的技術(shù)，并于1986年發(fā)明了立體光刻工藝，申請專利后，成立了3DSystem公司。之后，3D打印技術(shù)迅速發(fā)展起來，應(yīng)用范圍不斷擴展，并在商業(yè)領(lǐng)域取得了重大成功。從福萊斯特大學利用3D打印機打印出人體皮膚和骨骼，到澳大利亞企業(yè)采用3D打印技術(shù)打印出無人機，甚至好萊塢都在使用3D打印機來制造演員服裝。這些商業(yè)化應(yīng)用也引起了國防領(lǐng)域的關(guān)注，美國軍方十分重視對3D打印技術(shù)的應(yīng)用。2012年8月，美軍向阿富汗戰(zhàn)場部署移動遠征實驗室（ELM），該實驗室實質(zhì)上是一個數(shù)字化加工廠，部署了3臺3D打印機，主要致力于制造有武器系統(tǒng)和平臺的小部件和配件等。2013年3月，美國海軍成立Print the Fleet項目組，旨在開發(fā)3D打印零部件的程序和規(guī)則，尋找3D打印技術(shù)的創(chuàng)新性應(yīng)用。美國空軍俄克拉荷馬州空軍后勤中心（OC-ALC）正在開發(fā)一項戰(zhàn)略計劃，旨在將3D打印技術(shù)納入到當前空中力量維持的每個方面，計劃在未來數(shù)十年內(nèi)完全集成增材制造技術(shù)。

3D打印技術(shù)在我國起步較晚，但發(fā)展迅速。我國對3D打印的研發(fā)起步于20世紀90年代初，已經(jīng)有了長達20多年的探索和積累，在科研方面頗具實力，某些技術(shù)已經(jīng)世界領(lǐng)先，但是在產(chǎn)業(yè)化和軍用化方面仍不成熟。2010年，我國研制出了工業(yè)級的1.2m×1.2m快速制造裝備，這是世界上該類裝備的最大工作面，超過德國EOS公司和美國3DSystem公司的同類產(chǎn)品。此外，我國在國際上首次全面突破了相關(guān)關(guān)鍵構(gòu)件激光成型工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，成為迄今世界上唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成型技術(shù)并成功實現(xiàn)裝機工程應(yīng)用的國家。3D打印技術(shù)在我國日益受到重視，2012年10月，中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在北京成立，改寫了我國3D打印行業(yè)單打獨斗的歷史，整體競爭力進一步增強。2014年，我國3D打印技術(shù)的首個行業(yè)標準正式立項，這標志著我國3D打印技術(shù)向著規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化方向邁進。但是，軍隊對3D打印技術(shù)的應(yīng)用還處于研究論證階段，各項程序和規(guī)范還沒成形，尚未開展大規(guī)模實踐。

2 3D打印技術(shù)在航空兵場站的應(yīng)用分析

2.1 3D打印技術(shù)在航空兵場站的主要應(yīng)用領(lǐng)域

在生活保障領(lǐng)域：依據(jù)3D打印技術(shù)可以輕松制造復(fù)雜物品，以及將材料進行無限組合等特點，可實現(xiàn)被裝保障領(lǐng)域的“敏捷制造”。例如，通過將各種不同的材料、傳感器同時打印在服裝上，為飛行員設(shè)計出可以監(jiān)測身體各個部位狀態(tài)的服裝、為機務(wù)人員生產(chǎn)隔熱耐磨的服裝、為油料管理人員提供阻燃的服裝等。3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)被裝功能的多樣化，滿足場站不同人員的需求，可以很好地解決當前被裝生產(chǎn)功能不足的難題。此外，按照“數(shù)字菜譜”，利用3D食品打印機將各種液體或粉末狀的食物原料注入食品打印機，能夠為飛行員和保障人員打印出種類豐富、搭配合理、營養(yǎng)完善的食品[2]。3D食品打印機還可以幫助炊事員完成復(fù)雜的食品制作程序，大幅縮短飲食保障中的食品加工時間，提高了戰(zhàn)時飲食保障效率。

在裝備保障領(lǐng)域：航空兵場站保障裝備數(shù)量多、類型雜、使用頻繁，裝備維修保障任務(wù)重。而部隊基層級維修能力較低，維修備件要依賴多級供應(yīng)渠道保障，戰(zhàn)時、急時可能會造成保障的延誤，傳統(tǒng)解決方法是大量預(yù)置備件材料或在裝備之間通過拆換完成，但都不是好的辦法。利用3D打印技術(shù)可為裝備維修提供一個有效的備件解決方案，戰(zhàn)時、急時僅需利用預(yù)先攜帶的裝備部件數(shù)據(jù)和復(fù)合打印原料，利用3D打印機即可制造應(yīng)急備件，快速恢復(fù)裝備的保障能力，不僅能夠大幅降低復(fù)雜裝備部件的生產(chǎn)成本，還可以有效緩解備件供應(yīng)系統(tǒng)的負擔。此外，戰(zhàn)時、急時面臨多種突發(fā)情況，一線維修人員可能由于缺乏相應(yīng)的維修工具和設(shè)備且無法返回獲取造成裝備維修延遲。利用3D打印技術(shù)，維修人員可根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，現(xiàn)場打印所需的維修工具或設(shè)備，加快裝備維修進程。

在物資保障領(lǐng)域：隨著精確制導武器打擊效能的不斷提高，所需彈藥在總量上會大大減少，摧毀某個目標時可能僅需一枚或幾枚精確制導武器，這就為3D打印機的應(yīng)用提供了條件。在前方作戰(zhàn)部隊對某種精確制導武器需求量不大的情況下，攜帶彈藥關(guān)鍵部分，剩下部分可以依據(jù)戰(zhàn)爭進程按需打??；3D打印技術(shù)應(yīng)用于物資保障后，傳統(tǒng)的實物物資存儲就失去了存在的實際意義，只要計算機中存儲相關(guān)物資的三維數(shù)據(jù)文件，就可以直接進行現(xiàn)場生產(chǎn)。因此，傳統(tǒng)的大批量實物物資存儲模式將逐漸弱化，取而代之的是各種物資器材的數(shù)字模型庫[3]。這樣，不僅省下了庫存空間，也減少了物資籌措、管理、維護工作，極大地節(jié)省了人力、物力、財力。例如，利用3D打印技術(shù)，航空兵場站可以隨時直接制造出急需的各種航材，避免出現(xiàn)因為倉庫沒有相應(yīng)的航材而導致飛機無法起飛，從而大大提高飛機的完好率。

在衛(wèi)生保障領(lǐng)域：利用3D打印機可以按需快速精確制備適合不同傷員的個性化生物醫(yī)用高分子材料，并能夠?qū)Σ牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)進行精確控制，特別是一些需要根據(jù)個人不同需求個性化制作的材料，由于患者個體差異較大，如果逐一生產(chǎn)多種規(guī)格的材料難度較大，使用3D打印技術(shù)則可以很好地滿足每個人的需求。在戰(zhàn)時、急時，由于野戰(zhàn)醫(yī)院醫(yī)療物資儲備有限，當由于缺乏一些特殊器材或醫(yī)學材料無法救治時，只能選擇運送至后方醫(yī)院。利用3D打印技術(shù)，可將各個醫(yī)療器材和醫(yī)學材料的數(shù)據(jù)模型保存，在需要的時候利用不同的打印材料進行臨時制造，現(xiàn)場救治傷員，能夠大幅提高傷員的存活率，減少傷亡人數(shù)。

2.2 3D打印技術(shù)在航空兵場站應(yīng)用的前景展望

3D打印技術(shù)在航空兵場站的應(yīng)用將實現(xiàn)保障模式由輸送向制造轉(zhuǎn)變。以往的航空兵場站飛行保障需要各保障分隊在各自股、連進行生產(chǎn)、管理，在飛行保障需要時再進行外場運送，一個場次一般要出動相關(guān)人員200余人，各類裝備上百臺（套）。今后，可在外場建立綜合保障中心，利用3D打印技術(shù)，將部分保障工作移交外場綜合保障中心完成，減少人員、車輛、物資前送的數(shù)量，提高保障效率。在野戰(zhàn)環(huán)境下，可以利用便攜3D打印機完成各種自我保障，進行快速機動，無需大量的保障人員、裝備隨行，可大幅減少輸送比例，轉(zhuǎn)向以現(xiàn)場操作制造為主。

3D打印技術(shù)在航空兵場站的應(yīng)用將實現(xiàn)保障物資由實物儲備向數(shù)據(jù)儲備轉(zhuǎn)變。3D打印技術(shù)可以將計算機中的三維數(shù)據(jù)文件進行實物制造，這樣，未來的物資保障就不需要大規(guī)模的實物儲備，減少倉儲成本、降低管理消耗、提高保障速度，更好地應(yīng)對復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境。利用3D打印技術(shù)，建立各種實物物資的數(shù)據(jù)庫，便可以隨時隨地進行批量生產(chǎn)。對于飛行轉(zhuǎn)場時的伴隨保障，可以把保障資料傳送到進駐場站，由進駐場站提供快捷、高效的保障。未來，場站需要的就是存儲大量的打印材料，而在材料一級，通用性強、體積小，更方便存儲和使用[4]。

3D打印技術(shù)在航空兵場站的應(yīng)用將實現(xiàn)保障人員向操作型和專家型轉(zhuǎn)變。目前，保障人員包括采購人員、管理人員、運輸人員、維修人員等，人員繁雜、程序繁瑣。利用3D打印技術(shù)，可精簡各類保障人員的數(shù)量，主要向操作型人員和專家型人員轉(zhuǎn)變。3D打印機像其它保障裝備一樣，需要專業(yè)的操作人員進行操作生產(chǎn)。因此，必須對一線保障人員進行培訓，使其熟悉3D打印機的操作，能夠獨立完成生產(chǎn)過程。而對于各種實物3D模型的建立、3D打印原材料的選取等，則需要3D打印技術(shù)領(lǐng)域的專家型人員在后方進行研究，提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

2.3 3D打印技術(shù)在航空兵場站應(yīng)用中面臨的問題

一是尚未制定相應(yīng)的使用程序與規(guī)則。現(xiàn)階段，對于3D打印技術(shù)的軍事應(yīng)用大都停留在實驗階段，真正大規(guī)模的應(yīng)用并未出現(xiàn)，尚未形成一套權(quán)威的使用程序與規(guī)則，尚未形成模式化的產(chǎn)業(yè)鏈。美國海軍的Print the Fleet項目組在3D打印零部件的程序和規(guī)則制定方面走在前列，但是至今仍處于探索研究階段。我軍對于3D打印技術(shù)的使用與研究剛剛起步，尚未經(jīng)過反復(fù)實踐，未形成規(guī)范的程序與規(guī)則。因此，亟需建立一套基于軍隊應(yīng)用3D打印技術(shù)的程序與規(guī)則，用以規(guī)范3D打印機的使用，從而為3D打印技術(shù)在軍隊的大規(guī)模使用提供依據(jù)。

二是質(zhì)量檢測手段不足以應(yīng)對裝備需求。打印材料、打印工藝和打印環(huán)境對3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量影響巨大，細微的變化都可能導致打印產(chǎn)品質(zhì)量的改變。當前的3D打印技術(shù)僅僅是可以按照數(shù)據(jù)模型打印出相應(yīng)的產(chǎn)品，對于產(chǎn)品質(zhì)量的檢測等后續(xù)工作缺乏有力的支撐，沒有3D打印機自檢測功能，也沒有專業(yè)的測試儀器。例如，航材保障中細微的差別就可能導致飛機無法順利升空，或者升空后出現(xiàn)各種問題。因此，必須建立完善的產(chǎn)品3D打印控制機制和檢測機制，3D打印產(chǎn)品必須經(jīng)過專業(yè)的測試才能批準使用，確保打印產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

三是數(shù)據(jù)模型庫的安全形勢嚴峻。要想大規(guī)模使用3D打印技術(shù)，必須建立大型數(shù)據(jù)模型庫，存儲各物品的數(shù)據(jù)模型。而數(shù)據(jù)模型庫中的數(shù)據(jù)對應(yīng)的都是相關(guān)物品的技術(shù)參數(shù)，一旦敵人竊取了數(shù)據(jù)模型庫，就相當于竊取了相關(guān)武器裝備的資料。因此，數(shù)據(jù)模型庫面臨著十分嚴峻的安全形勢，必須嚴格管控，建立相應(yīng)的編碼機制，確保數(shù)據(jù)安全。

3 結(jié)束語

3D打印技術(shù)在軍隊的應(yīng)用是一個長期的過程，我們應(yīng)借助民用領(lǐng)域強大的技術(shù)優(yōu)勢，深化軍民融合，不斷將民用領(lǐng)域先進的設(shè)備和技術(shù)與軍隊的應(yīng)用實際相結(jié)合，充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的應(yīng)用潛力，使其成為增強戰(zhàn)斗力、提升保障能力的一項重要技術(shù)。未來，空軍將向著基地化方向發(fā)展，航材保障問題在基地化發(fā)展趨勢下將日益突出，并亟待解決。適用于多機種、小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料價值量高的結(jié)構(gòu)制造的3D打印技術(shù)或許能夠在一定程度上緩解航材供應(yīng)緊張的狀況。從技術(shù)基礎(chǔ)上來說，我國是世界上較早掌握激光成形鈦合金大型構(gòu)件制造、應(yīng)用的國家，空軍基地完全可以將這些技術(shù)應(yīng)用到不同機型的綜合保障研究上，通過建立綜合保障中心革新基地保障模式。3D打印技術(shù)未來將向著納米層級發(fā)展，通過探索不同原材料的無限組合，打印出擁有現(xiàn)存物品無法實現(xiàn)的各種特性，進而推進武器裝備性能的新一輪躍升。

1 利普森, 庫曼. 3D打印∶ 從想象到現(xiàn)實[M]. 北京∶ 中信出版社, 2013

2 姜永久, 張薇, 高家森. 3D打印帶來軍隊飲食保障新變革[J]. 全域瞭望, 2015, (3)∶ 18～19

3 潘曉春, 徐磊. 3D打印技術(shù)在倉庫裝備科研中的應(yīng)用[J].倉儲管理與技術(shù), 2013, (6)∶ 31～32

4 郭亞東. 3D打印技術(shù)對未來戰(zhàn)場保障的影響及對我海軍后勤的啟示[J]. 海軍后勤科技, 2013, (2)∶ 1～6

Application of 3D Printing Technology in Air Force Station

Liu Yujie Qin Jinghui
( Air Force Logistics College, Xuzhou 221000 )

To promote the application of 3D Printing technology in flight support of Air Force Station, based on the characteristics of 3D Printing, the application fields and problems of 3D printing involving living, equipment, supplies and health security in Air Force Station were studied. Some suggestions for the application of 3D Printing in Air Force Station were proposed.

3D Printing, Air Force Station, Flight support

1009-8119（2017）01（1）-0060-03