基于3D打印技術(shù)的裝備維修保障應(yīng)用研究

陳方杰，王成，康辰龍，張永鋒，張鄭

基于3D打印技術(shù)的裝備維修保障應(yīng)用研究

陳方杰，王成，康辰龍，張永鋒，張鄭

（陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校，湖北 武漢 430075）

針對傳統(tǒng)的裝備維修保障模式難以滿足現(xiàn)代化軍事需求的問題，對3D打印技術(shù)在裝備維修保障領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究。簡述了3D打印的技術(shù)優(yōu)勢，分析了國內(nèi)外運用3D打印技術(shù)解決裝備維修問題的應(yīng)用現(xiàn)狀，包括在受損部件修復(fù)中、復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件制造中和戰(zhàn)時應(yīng)急保障中的應(yīng)用，提出了當前制約3D打印發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，為3D打印技術(shù)更好地應(yīng)用于未來信息化環(huán)境下的裝備維修保障提供了思路。

裝備維修；快速保障模式；3D打?。卉娪醚b備

無論是在戰(zhàn)爭時期還是在和平年代，軍用裝備器械都扮演著極其重要的角色。在其使用過程中難免會出現(xiàn)不同程度的損傷，如果損傷裝備得不到及時有效的修理，裝備的使 用完好性和任務(wù)完成能力就會下降，極大影響部隊的戰(zhàn)斗 力[1]。未來的信息化戰(zhàn)場也對裝備維修保障能力提出了更高的要求，裝備維修保障環(huán)境更加突變、保障任務(wù)更加繁重、保障需求更為多樣，給維修保障體系的創(chuàng)新式發(fā)展提出更為嚴峻的挑戰(zhàn)，而目前傳統(tǒng)的裝備維修模式往往存在保障效率低下和復(fù)雜零部件生產(chǎn)周期長等問題，將很難繼續(xù)適用。3D打印技術(shù)以其不受復(fù)雜形狀限制的快速制造優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于小批量和復(fù)雜零部件的制造，在裝備維修保障領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望成為推動裝備維修保障模式創(chuàng)新發(fā)展的重要技術(shù)手段和支撐。

1 3D打印技術(shù)原理與優(yōu)勢

3D打印又稱增材制造（Additive manufacturing，AM），不同于減材制造方式，它是通過復(fù)層疊加方式來制造零件的，首先利用計算的程序?qū)χ萍哪Ｐ瓦M行分層處理，然后控制機器逐層地堆積切片材料，周而復(fù)始，將切片薄層堆積成體塊件，獲得三維實體零件[2]。目前，比較常見的3D打印技術(shù)主要有激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）、激光選區(qū)熔融（SLM）、熔融沉積成型（FDM）和立體光固化（SLA）等。

將3D打印技術(shù)應(yīng)用于裝備維修保障領(lǐng)域，與傳統(tǒng)保障模式相比，具有以下突出優(yōu)點：①通過實體模型即能打印出零件，無需配備或囤積大量備份零部件；②不受復(fù)雜形狀的限制，解決了傳統(tǒng)保障模式制造困難、周期長等問題；③精確快速保障，能為戰(zhàn)時應(yīng)急保障節(jié)省大量人力物力和時間成本。

2 3D打印技術(shù)在裝備維修保障中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 在裝備受損部件修復(fù)中的應(yīng)用

針對裝備使用過程中損傷的零部件，可根據(jù)完整的零件模型和受損零件實體，反向建立損傷處的三維修補模型，再利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)零件的快速成形制造，恢復(fù)其形狀尺寸及功能特性。

21世紀初期，美國將3D打印激光熔覆沉積技術(shù)（Laser Engineered Net Shaping，LENS）應(yīng)用于零部件修復(fù)。他們投入到阿富汗戰(zhàn)場的直升機因發(fā)動機葉片受損而發(fā)生故障，在基于3D數(shù)據(jù)建模的基礎(chǔ)上采用LENS技術(shù)成功地對其進行了修復(fù)，并且在使用中發(fā)現(xiàn)發(fā)動機葉片的各項性能獲得顯著提高[3]。隨著LENS技術(shù)在裝備受損修復(fù)領(lǐng)域中的進一步發(fā)展，美國建立了基于LENS技術(shù)的軍械裝備修復(fù)系統(tǒng)，為快速恢復(fù)裝備的戰(zhàn)斗力提供了有效保障，比如成功維修某型主戰(zhàn)坦克的燃氣渦輪[4]，快速修復(fù)AV-8式鷂式戰(zhàn)機的鼻錐受損部位[5]，均為其備戰(zhàn)和重返戰(zhàn)場節(jié)省了大量時間。但由于裝備零部件還存在種類、材料、尺寸等方面上的差異，單獨的某一種3D打印方式很難滿足信息化戰(zhàn)爭條件下復(fù)雜多樣的裝備維修保障模式，因此美國海軍實施的快速制造與維修（RMR）計劃配置了多種3D打印系統(tǒng)，比如SLS、SLM、FDM和電子束熔融（EBM）技術(shù)，以滿足各種老舊零件和工裝修復(fù)的需求[4]。

除美國外，國外許多其他國家也發(fā)現(xiàn)了3D打印技術(shù)在受損部件修復(fù)方面的優(yōu)越性，開展了相應(yīng)的工作。2015年，德國3D打印機制造商InssTek為韓國空軍完成了兩臺F-15K戰(zhàn)機上發(fā)動機護罩與空氣密封件的修復(fù)工作，他們采用的直接金屬模具制造工藝（Direct metal tooling，DMT）不僅能大大縮短了維修時間，還能保障質(zhì)量的可靠性。2016年，以色列空軍維修單位為了快速恢復(fù)退役戰(zhàn)斗機的相關(guān)功能，利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)替換掉損壞的部件，將制造周期由幾個月縮減至短短幾個小時[6]。

在國內(nèi)，3D打印系統(tǒng)也已走進三軍保障體系，比如2015年中國海軍某艦隊利用戰(zhàn)艦尾部移動方艙里配備的3D打印系統(tǒng)，結(jié)合儲存的備件三維數(shù)據(jù)模型，對突發(fā)意外損傷的傳動齒輪進行了快速處理和修復(fù)，有效解決了及時進港停泊的問題。

2.2 在復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件制造中的應(yīng)用

當裝備零部件的受損程度過大，無法通過修補的方式恢復(fù)其功能性時，通常需要更換備件。然而由于裝備的零部件種類繁多，難免會出現(xiàn)保障不足而導(dǎo)致缺少備件的情況。3D打印技術(shù)的制造過程無需開模，根據(jù)零件的三維模型便能制造出實體零件，能大大提升裝備維修保障效率，具有很大的應(yīng)用潛力。國內(nèi)外已認知到該技術(shù)的特殊優(yōu)勢，并相繼開展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件制造的應(yīng)用探索。

美國GE公司已將金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機零部件的制造中，他們于2013年對Morris公司和AVIO公司進行了收購，并吸收了先進設(shè)備與制造經(jīng)驗，成型出具有復(fù)雜內(nèi)置流道的TiAl合金發(fā)動機葉片和燃油噴嘴等，如圖1所示[7]。美國某空軍為了實現(xiàn)受損零部件的快速維修，在基地配備3D打印設(shè)備，解決整流罩、天線等部件保障不足的問題，取得了較好的效果。英國雷尼紹公司利用自制的AM250激光熔融金屬快速成型系統(tǒng)，設(shè)計制造出了具有復(fù)雜精細流道結(jié)構(gòu)的航空用冷卻部件，比傳統(tǒng)方法節(jié)省了幾倍的時間[8]。GE公司3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)件如圖1所示。

在國內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)于1995年率先提出了激光立體成形的概念，2012年采用自主設(shè)計的激光3D打印機成型出了C919飛機的中央翼緣條制件，零件材料為鈦合金材料，其綜合性能優(yōu)異，遠超過檢測標準[9]。華中科技大學(xué)首先開拓了SLM技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，制造出各種大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣件[7]。

綜合以上國內(nèi)外的應(yīng)用實例我們可以看出，目前的3D打印復(fù)雜零部件制造技術(shù)主要集中在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用上，由此可以推斷，3D打印技術(shù)也完全能勝任其他類型裝備零部件的制造與維修。

2.3 在戰(zhàn)時應(yīng)急保障中的應(yīng)用

隨著裝備系統(tǒng)的日益復(fù)雜，維修保障的規(guī)模也越來越龐大，這不僅會耗費大量的人力、物力，而且在戰(zhàn)時這種極端環(huán)境下還很難確保備件能及時供應(yīng)。借助3D打印技術(shù)快速制造備件和維修工具，可以減小保障規(guī)模，極大提升部隊的搶修能力。國內(nèi)外均針對戰(zhàn)場環(huán)境下使用的3D打印快速制造系統(tǒng)進行了有益的探索。

美軍快速裝備部隊（REF）在移動零件醫(yī)院建設(shè)的經(jīng)驗上，引入3D打印機和機械自動化設(shè)備，研制出首個移動遠征實驗室（ELM），并于2012-07完成交付。2013-01，美軍又配備了第二個移動遠征實驗室，并用于戰(zhàn)場使用[10]。近年來，美軍將3D打印技術(shù)投入到陸戰(zhàn)、軍艦和太空探索，實現(xiàn)海、陸、空的全領(lǐng)域覆蓋。

我軍在“補給行動—2015”演練中首次將3D打印技術(shù)運用于后勤裝備的維修使用，由于損壞的聯(lián)軸器并不屬于易損部件，在演練前并未配有相應(yīng)的備件，通過3D打印對聯(lián)軸器進行現(xiàn)場制作，高效地解決了這一窘境，大大提升搶修效率[11]。為了更好地將3D打印技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)時應(yīng)急保障，西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)和空軍裝備部聯(lián)合研發(fā)了專門用于戰(zhàn)場環(huán)境使用的3D打印維修保障系統(tǒng)，如圖2所示，采取基于伴隨保障的搶修模式，能及時處理裝備出現(xiàn)的故障和損壞[12]。

圖2 戰(zhàn)場環(huán)境使用的3D打印維修保障系統(tǒng)

3 技術(shù)難點及研究方向

3.1 材料開發(fā)

目前，金屬材料的3D打印技術(shù)已日趨成熟，但隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，軍事應(yīng)用對裝備材料的使用溫度要求越來越高，金屬材料將很難滿足某些極端使用條件下的性能要求，陶瓷材料以其耐高溫、高耐磨性和密度小的優(yōu)勢，有望成為未來裝備材料的發(fā)展趨勢，因此，3D打印復(fù)雜形狀陶瓷零件成為當前學(xué)者們研究的熱點。3D打印陶瓷的研究工作主要體現(xiàn)在陶瓷粉末的激光成型、陶瓷膏體的擠出成型和陶瓷漿料的光固化成型這三種工藝方式上，然而現(xiàn)有的3D打印陶瓷制品普遍存在性能差、精度低的問題，如何提高陶瓷制品的使用性能成為亟需解決的問題。可以預(yù)見，這一難題的有效解決將大大提高3D打印技術(shù)在裝備維修中的應(yīng)用范圍。

3.2 系統(tǒng)集成化

為了應(yīng)對各類情形下的裝備維修，3D打印系統(tǒng)除了需要配備零部件數(shù)據(jù)庫軟件和三維模型反求系統(tǒng)外，還需要配備成型不同材料的3D打印機以及后處理設(shè)備，這將使得設(shè)施系統(tǒng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)龐大、機動性能不足，因此開發(fā)集成化的3D打印系統(tǒng)，提高設(shè)備便攜性，對于實現(xiàn)未來裝備維修保障更加快速精確的需求至關(guān)重要。

4 結(jié)束語

3D打印技術(shù)因具有無需模具、不受復(fù)雜形狀限制、制造周期短、材料利用率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域。針對裝備維修保障領(lǐng)域，國內(nèi)外已進行了大量有益的探索，取得了廣泛的應(yīng)用成果，然而受到成型材料、系統(tǒng)集成化程度等方面的制約，限制了3D打印技術(shù)在未來現(xiàn)代化裝備維修保障領(lǐng)域的進一步發(fā)展與應(yīng)用，還需要積極解決和探索3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的制約因素，提高我軍的裝備維修保障 水平。

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E246

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.067

2095－6835（2020）22－0153－03

陳方杰（1995—），男，碩士，助教，研究方向為自行火炮底盤維修。

〔編輯：張思楠〕