3D快速成型用于艦船裝備保障的展望與探索

熊 兵，胡 存，李乙邁，楊斌斌

（中國人民解放軍63691部隊(duì)，江蘇江陰 214400）

0 引言

隨著國防科技事業(yè)的快速發(fā)展，某型艦船所承擔(dān)的海上任務(wù)也越來越密集、頻繁，各系統(tǒng)裝備長期在高溫、高濕、高鹽的海域環(huán)境中使用，逐漸呈現(xiàn)出性能下降、可靠性降低、故障率上升以及保障難度增大的特點(diǎn)。特別是保障船舶生命力的動力系統(tǒng)，各設(shè)備備件種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅2臺主推進(jìn)裝置備件就達(dá)到3000多種,在保障航行任務(wù)過程中，購置、管理備件需耗費(fèi)大量的財(cái)力、物力、人力。

3D快速成型技術(shù)（Three-Dimensional Rapid Prototyping Technology）是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1-3]。隨著該技術(shù)的進(jìn)一步成熟，美國、德國、法國等發(fā)達(dá)國家將其視為一種戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，高度重視并積極推廣該技術(shù)[4-5]。而隨著3D快速成型技術(shù)研究的深入化、推廣化以及生產(chǎn)材料的多元化，3D快速成型技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步延伸到了航空航天、新裝備設(shè)計(jì)等軍工領(lǐng)域。

結(jié)合艦船裝備保障過程中的需求和3D快速成型技術(shù)的特點(diǎn)，研究3D快速成型技術(shù)在某型艦船裝備維修保障中的應(yīng)用，探索艦船在裝備維修、設(shè)備改造等領(lǐng)域綜合保障能力提升的手段，為圓滿完成任務(wù)提供有力支撐。

1 某型艦船裝備維修保障的特點(diǎn)難點(diǎn)

根據(jù)船舶運(yùn)行狀態(tài)的不同，某型艦船裝備維修保障主要分為碼頭準(zhǔn)備階段和任務(wù)實(shí)施階段。

1.1 碼頭準(zhǔn)備階段

以某型艦船動力系統(tǒng)設(shè)備的保障為切入點(diǎn)進(jìn)行探討，根據(jù)維護(hù)手段不同，碼頭階段的維修保障方法可分為日常維護(hù)、設(shè)備修理等方面。

（1）日常維護(hù)。碼頭期間各專業(yè)隊(duì)組主要通過組織設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、故障檢修及問題歸零等手段開展日常性維護(hù)。如定期組織設(shè)備加電、備航等工作，通過定時(shí)加電、設(shè)備測試等手段，對所屬設(shè)備的狀態(tài)、性能進(jìn)行全面掌握，完成設(shè)備技術(shù)狀態(tài)清查與可靠性檢查等工作。

（2）設(shè)備修理。碼頭期間，根據(jù)歷史任務(wù)中設(shè)備出現(xiàn)的問題和隱患，以及設(shè)備自身運(yùn)行規(guī)律，形成XX任務(wù)航修工程單和自修工程單。根據(jù)修理工程單進(jìn)行任務(wù)劃分，主要包括船廠修理、專業(yè)廠家修理及自修。

（3）備件籌措。根據(jù)所掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，綜合考慮備件庫存量、任務(wù)需要和備件經(jīng)費(fèi)等因素，對設(shè)備容易出現(xiàn)隱患的零件、經(jīng)常消耗的部件、重大設(shè)備的關(guān)鍵部件進(jìn)行備份。如：屬于需要定期更換的O形圈、橡膠墊等，屬于消耗品的儀表盤、濾器濾芯等。

1.2 任務(wù)實(shí)施階段

在海上執(zhí)行任務(wù)期間，由于海上條件相對碼頭有諸多局限性，艦船裝備維修保障主要立足自身，條件較為苛刻，主要表現(xiàn)在3個方面。

（1）裝備保障技術(shù)要求高、獨(dú)立性強(qiáng)，缺乏外界支持。出海期間，各系統(tǒng)各設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行，設(shè)備故障的數(shù)量是碼頭階段的5～6倍。部分問題的技術(shù)難度非常高，對技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)和備件的準(zhǔn)備水平要求很高，并且需要嚴(yán)格按照任務(wù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)保障裝備的絕對可靠。這就要求艦船技術(shù)人員在沒有外界支持的情況下獨(dú)立完成所有問題的解決，由此可見，它的時(shí)間苛刻性、技術(shù)全面性要求相比碼頭階段更加嚴(yán)格[6]。

（2）裝備備品備件數(shù)量龐大，專業(yè)性強(qiáng)，存在籌措盲區(qū)。某型艦船由于其特殊的任務(wù)需求，設(shè)備種類繁多，備件來源非常復(fù)雜。以船舶動力系統(tǒng)所屬設(shè)備為例，主要大型設(shè)備來自10余個國家30多個廠家，備件數(shù)量達(dá)到萬余種。但目前難以做到對所有設(shè)備的零部件進(jìn)行全面?zhèn)浞?，僅能對部分易消耗、易發(fā)生故障的設(shè)備進(jìn)行零部件備份，存在籌措上的盲區(qū)。

（3）現(xiàn)有備件庫存冗余度大，針對性差，備件利用率低。目前該型艦船出海期間裝備維修保障主要采取備件庫——“冗余備份”的模式，即參考設(shè)備歷史上出現(xiàn)過的故障、易發(fā)生的故障等情況，預(yù)先準(zhǔn)備大量零備件，在設(shè)備受損時(shí)進(jìn)行更換。由于受環(huán)境、時(shí)間因素影響，會導(dǎo)致備件強(qiáng)度、柔韌性下降，造成備件的損壞、浪費(fèi)[7]。

2 3D快速成型技術(shù)

2.1 3D快速成型的技術(shù)特點(diǎn)

3D快速成型技術(shù)不需要模具，即可實(shí)現(xiàn)三維文件到成品的快速、直接轉(zhuǎn)化，可實(shí)現(xiàn)快速化、自由化的制造，給復(fù)雜、精密部件的生產(chǎn)，武器裝備的設(shè)計(jì)、裝備維修等提供了一條可實(shí)踐的道路[8-9]。

（1）制造零件速度快，可滿足緊急情況下裝備制造的需要。3D快速成型技術(shù)由于不需要預(yù)先制作模具，實(shí)際應(yīng)用中只需要建立完備的三維模型文件（Pro/E，CAD文件等），而后根據(jù)產(chǎn)品工作強(qiáng)度、負(fù)荷要求等不同需求，選擇合適的產(chǎn)品原材料（金屬粉末、塑膠材質(zhì)等），即可實(shí)現(xiàn)從數(shù)字文件向完備產(chǎn)品的自由制造。

（2）復(fù)雜制造能力好，可滿足不同情況需求。由于3D快速成型技術(shù)的原理是逐層打印，每一層之間材料用黏性較高的材料連接，復(fù)雜制造能力較好。因而實(shí)際應(yīng)用中幾乎可實(shí)現(xiàn)任意形狀零件的制造，可應(yīng)用于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件制造。

（3）材料利用率高，可有效降低零配件材料成本。傳統(tǒng)的制造手段是“減材制造”，即在原材料毛胚上進(jìn)行切削、擠壓等工序，將多余的原料去掉，進(jìn)而加工出所需部件。3D快速成型技術(shù)只依據(jù)所設(shè)計(jì)的三維模型尺寸，可實(shí)現(xiàn)所用即所得，對于一些精度要求不高的產(chǎn)品，無需二次切削、打磨作業(yè)，原材料向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率甚至可以達(dá)到100%[10]。

2.2 3D快速成型技術(shù)的發(fā)展概況

3D快速成型技術(shù)在近10年來取得了令世人矚目的重大發(fā)展，正在逐步成為具有強(qiáng)大生命力和巨大發(fā)展前景的先進(jìn)制造技術(shù)之一。

（1）航空航天領(lǐng)域。航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用是工業(yè)級3D快速成型技術(shù)最早探索的方向之一，最早3D快速成型技術(shù)用于制作航空設(shè)備的外觀模型和輔助風(fēng)洞測試。航空航天領(lǐng)域的飛行器部件往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀特異，采用傳統(tǒng)制造工藝和方法不僅制造周期很長，而且成本較高，而這些因素正是3D快速成型技術(shù)擅長之處。

（2）工業(yè)制造領(lǐng)域。目前，應(yīng)用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造工藝，國內(nèi)汽車生產(chǎn)廠家零部件模具開發(fā)周期一般在45 d以上，而3D打印技術(shù)可以在不使用任何刀具、模具和工裝夾具的情況下，實(shí)現(xiàn)零件的快速生產(chǎn)。國內(nèi)已有不少汽車零部件企業(yè)通過3D快速成型技術(shù)制作氣缸體、缸蓋以及變速器齒輪等產(chǎn)品，主要在于單件和小批量的試制、生產(chǎn)，可迅速響應(yīng)市場需求以及提供試制產(chǎn)品的檢測與實(shí)驗(yàn)。

（3）國防軍事領(lǐng)域。目前3D快速成型技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在武器裝備的個別受損部件、強(qiáng)度精度要求高的精密部件、復(fù)雜零部件的生產(chǎn)。主要利用3D快速成型技術(shù)小批量制造成本低、速度快、復(fù)雜制造能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)也有效降低了武器裝備在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，縮短研制時(shí)間。

3 3D快速成型技術(shù)在某型艦船裝備維修保障中應(yīng)用的可行性

3.1 艦船動力系統(tǒng)裝備故障規(guī)律分析

艦船全船各系統(tǒng)設(shè)備中，動力系統(tǒng)設(shè)備總數(shù)占有較大比例，因而其設(shè)備的維護(hù)狀態(tài)、裝備的保障水平很大程度上反映了艦船裝備保障能力的強(qiáng)弱，因此考慮以動力系統(tǒng)裝備故障發(fā)生規(guī)律為例，探究該型艦船裝備維修保障中的重難點(diǎn)。

3.1.1 設(shè)備故障類型統(tǒng)計(jì)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十二五”期間某船動力系統(tǒng)共參與完成海上任務(wù)22次，海上作業(yè)時(shí)間總計(jì)623 d，發(fā)生各類故障1596起。其中主機(jī)及附屬設(shè)備故障401起，電氣系統(tǒng)及設(shè)備故障463起，艙段系統(tǒng)及設(shè)備故障732起。按照故障類型可劃分為：設(shè)備本體故障（610起）、電氣及控制系統(tǒng)故障（556起）、管路閥件故障（326起）、泵浦及其它故障（104起）。故障分類統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 故障類型分類統(tǒng)計(jì)

3.1.2 故障類型隨時(shí)間變化規(guī)律

故障類型在不同年份的故障數(shù)量如表2所示。變化規(guī)律如圖1所示。

表2 故障數(shù)量年分分類統(tǒng)計(jì) 起

圖1 故障類型變化趨勢

從圖1中可以看出，各類故障均呈逐年上升趨勢，整體上在2013和2014年分布較多。原因：①經(jīng)過2012年和2013年比較繁重的海上任務(wù)，截至2013年和2014年設(shè)備接連保持（1～2）a多的高負(fù)荷運(yùn)作，疲勞積累嚴(yán)重，導(dǎo)致設(shè)備故障增多；②截至2014年設(shè)備出廠運(yùn)行已將近7 a，設(shè)備逐漸老化并進(jìn)入故障高發(fā)期。

圖1還可以看出，設(shè)備本體類故障最多，而泵浦及其他類故障最少。這與設(shè)備本體需要經(jīng)受更大強(qiáng)度的負(fù)荷、振動等有很大關(guān)系，通過分析故障，可知很多設(shè)備本體故障的產(chǎn)生，源于諸如螺栓斷裂、聯(lián)軸節(jié)損壞、皮帶斷裂等易損易耗零件的故障，因此艦船備件庫中存放較多的，也是諸如此類的消耗品。但即便如此，仍常出現(xiàn)庫存?zhèn)浼吞?、尺寸與所需零件不匹配的情形。

3.1.3 解決措施分類統(tǒng)計(jì)

按照解決措施不同，船舶動力系統(tǒng)故障按照自修（666項(xiàng)）、廠所維修（364項(xiàng)）、更換備件（566項(xiàng)）進(jìn)行分類（表3）。

表3 故障解決措施分類統(tǒng)計(jì)

由表3可以看出，在“十二五”期間，該船立足自身維修力量完成1232例（包括自修和更換備件）維修項(xiàng)目，占總故障數(shù)量的77%，實(shí)現(xiàn)了海上任務(wù)期間全時(shí)段的獨(dú)立維護(hù)、自主修理。與此同時(shí)，仍需要指出的是，“更換備件”解決措施占35%（總計(jì)566例項(xiàng)目）。

3.2 3D快速成型技術(shù)在艦船裝備保障中的應(yīng)用前景

探索3D快速成型技術(shù)在艦船裝備維修保障中的應(yīng)用，不僅適應(yīng)和符合大環(huán)境的發(fā)展趨勢，也是對現(xiàn)有裝備綜合保障條件的進(jìn)一步升級和完善，有助于提升艦船海上期間裝備維修和應(yīng)急保障能力。

（1）及時(shí)制造維修配件，減輕緊急情況下的保障壓力。艦船所承擔(dān)的任務(wù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求高，因而任務(wù)期間裝備必須處于“萬無一失”的狀態(tài)，因此研究故障裝備如何快速恢復(fù)戰(zhàn)斗力、如何縮短搶修時(shí)間就顯得尤為重要。

圖2為某軍工裝備搶修時(shí)間與可用裝備數(shù)量曲線。可以看出，在設(shè)備損毀率為2%的情況下，一星期后，有良好故障搶修能力的裝備可用率是“不修理”裝備的4倍左右。

（2）改變備件庫僅存放常用備件的常態(tài)，實(shí)現(xiàn)“全備件”保障?，F(xiàn)有備件庫模式是基于老同志和技術(shù)骨干對易損耗的部件、易損壞的設(shè)備需求等經(jīng)驗(yàn)式的總結(jié)，因而在備件庫的完善上存在一定偏差。3D快速成型技術(shù)只需對所需要的備件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)建模，形成三維模型文件，即可將現(xiàn)有的備件實(shí)體存放模式轉(zhuǎn)換為備件三維文件庫存放模式。

梳理全系統(tǒng)各設(shè)備的備件種類，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)階段3D快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)特點(diǎn)，梳理出該型艦船可應(yīng)用3D快速成型技術(shù)進(jìn)行再制造的設(shè)備備件分類（表4）。

（3）降低設(shè)備更新改造的設(shè)計(jì)以及制造成本，可實(shí)現(xiàn)全時(shí)段設(shè)備改造。以該艦船為例，截至目前已投入使用10 a，在操作使用過程中，發(fā)現(xiàn)一些設(shè)備、管路布置以及系統(tǒng)設(shè)置中存在的設(shè)計(jì)上的不足和使用上的不便，因此積極、主動地對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造是有必要的。

該船左右主機(jī)多次出現(xiàn)燃油管系振動磨穿和燃、滑油管系馬腳振斷、振裂等危害船舶安全的隱患，據(jù)此開展艦船機(jī)艙管系振動綜合治理研究，根據(jù)研究成果研制了“門”形雙抱HALF馬腳（圖3），有效解決了管系振動造成的燃油壓力波動等隱患[11]。該船2015年塢修期間，計(jì)劃拆檢艉軸密封裝置，而艉軸空間狹小、不便于人員使用現(xiàn)有工具拆裝。對此，從實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)、制造了艉軸密封裝置工裝件（圖4），解決了艉軸空間狹小不便于拆檢的難題。

圖2 某軍工裝備快速搶修效果

表4 某型艦船可應(yīng)用3D快速成型技術(shù)再制造的設(shè)備備件分類

圖3 “門”形雙抱HALF馬腳

圖4 船舶艉軸密封裝置工裝件

4 有待解決的問題

基于3D快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及艦船現(xiàn)有的維修保障力量來看，仍有一些問題亟待解決。

（1）生產(chǎn)的產(chǎn)品能否滿足設(shè)備工作強(qiáng)度、負(fù)荷、精度的需求。出于設(shè)備需求和安全因素考慮，設(shè)備的每處產(chǎn)品均有相應(yīng)的工作強(qiáng)度、最大壓力、最小誤差的要求。而依據(jù)目前艦船現(xiàn)有儀器設(shè)備條件，難以對基于3D快速成型技術(shù)生產(chǎn)的備品備件的強(qiáng)度、精度進(jìn)行校核、驗(yàn)證。

（2）全系統(tǒng)備件三維數(shù)據(jù)庫建立的可行性、可靠性、完備性。該型艦船設(shè)備種類繁多，且每個設(shè)備上的零部件也有很多種類、尺寸以及強(qiáng)度要求等，由于船舶管理人員是使用者而非設(shè)計(jì)者，因此很多設(shè)備只有簡單的裝配圖紙和使用手冊，難以找到其各個零部件的生產(chǎn)圖紙以及相應(yīng)的精度要求，

（3）3D打印能否滿足備件材料的多樣性需求。艦船設(shè)備種類繁多，因而基于3D快速成型技術(shù)，其備品備件所需的材料多種多樣。而目前由于我國3D打印材料尚沒有相關(guān)要求、標(biāo)準(zhǔn)，且國內(nèi)能生產(chǎn)滿足一定強(qiáng)度、精度要求的3D打印材料的企業(yè)比較少，現(xiàn)有的情況是大部分原材料主要依賴進(jìn)口，因此成本較高。

5 結(jié)語

探討3D快速成型技術(shù)在某型艦船裝備維修保障中應(yīng)用的可行性，重點(diǎn)介紹相對于傳統(tǒng)裝備維修方法，3D快速成型技術(shù)在解決當(dāng)前艦船裝備維修保障中難題的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)探究實(shí)際應(yīng)用中有待解決的問題進(jìn)行。