3D打印技术在中国军工企业中的应用*

彭 为

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

3D打印技术在中国军工企业中的应用*

彭 为

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中首先介绍了3D打印技术的定义及其在欧美与中国的应用，详细介绍了睿创空间3D打印机的组装、调试和建模，具体阐述了3D打印技术在中国军工企业的研制和保障上的应用，并对3D打印技术的未来发展趋势进行了展望。

3D打印技术；睿创空间；在场快速维修

引 言

人类进化至今，一个崭新文明的标志就是能够用机器制造机器[1]。从狭义上说，当前被赋予无限想象力的3D打印机就是这种能够制造机器的机器。3D打印使客观世界中的3D实体能够在虚拟世界中得以高精度重建(3D扫描)、自由编辑(3D设计)、真实感高清展示(3D显示)，乃至重新返回客观世界(3D打印)。3D打印是对传统的颠覆，实现了虚拟世界与实体世界的链接。其作用横跨多个领域，很可能会成为继互联网之后颠覆人类社会的“下一个事物”。因此， 3D打印得到了前所未有的关注[1]。

目前美国大部分3D打印都集中应用在军工领域的开发和模具制造上。美国已就通过3D打印技术来减轻士兵的负担展开研究。据报道，美国已将3D打印机部署到战区，并已加入扩展3D打印的行动，向阿富汗部署移动实验室，为士兵现场创造工具和其他设备。2013年1月，美军快速装备部队将其第2个移动远征实验室部署到战区，实验室通过使用3D打印机和计算机数字控制设备将铝、塑料和钢材生产加工成所需零部件，帮助设计人员利用计算机辅助设计软件在战区快速生产原型产品，从而增强美军单兵作战、战区巡逻及小型前线作战基地的可持续作战能力。

我国拟将3D打印上升至国家战略。2013年中国电子科技集团公司(后文简称中国电科)成立创新研究院，同年3月“睿创空间”开放式工作室成立，其成立后最具标志性的成果就是3D打印技术的应用，也由此揭开了中国电科3D打印的军工应用新篇章。3D打印技术的日益进步使战时装备技术维修保障发生了革命性的变化，利用3D打印技术能够及时打印出毁损的部件，用以修复受损装备，从而使遭到毁伤的武器装备得以再生，快速提升装备保障能力。这也是中国电科睿创空间后续发展的方向之一。

1 3D打印技术

3D打印的专业名称应该是“快速成型技术”或“增材制造技术”，是依托信息技术、材料科学和精密机械等多种学科的一种尖端技术。增材制造是指不经过车、铣、钻等传统“减材”切削加工，而是通过堆叠材料来直接形成最终产品的一种制造理念。它将多维制造变成简单的由下至上的二维叠加，从而大大降低了设计与制造的复杂度，可以制造传统方式无法加工的奇异结构，尤其适合动力装备、航空航天、汽车等高端产品上关键零部件的制造。

3D打印行业的发展始终凸显着“创新突破”这一关键特质，技术发展日新月异，现在只是3D打印技术的产业化初级阶段，未来3至5年将是3D打印技术最为关键的发展机遇期，其成长遵循的技术成熟曲线如图1所示。

图1 技术成熟曲线

2 睿创空间3D打印技术研究

2.1 3D打印机的组装

睿创空间遇到的第一个难题就是3D打印机的组装，图2为3D打印机的组装全过程。机架组装的难点在于要确保支撑杆是一个正方形，不能是平行四边形，因此在装配和调试的过程中，需要对塑料结构件的位置进行微调，并确保塑料结构件的内孔被修正到刚好能在螺杆上自由平移的程度；挤出机的安装难点则在于安装时，需要注意大齿轮与电机之间的垫片数量，防止二者的间隙过小而影响齿轮转动，同时又不能太大，需确保铜杆凹槽能够顺利挤丝。图3为3D打印机的软件安装图。在软硬件安装到位之后，点击“Connect”进行链接。

图2 3D打印机组装过程

图3 3D打印机软件安装图

2.2 3D打印机的软、硬件调试

组装完成后下一步就是调试，图4为3D打印机的调试全过程。调试过程的难点之一是双电机的驱动问题，Z轴电机按并联方式连接时，虽有很好的高速性能，但其所需的电流是按串联方式连接时的1.4倍，由于控制卡的驱动模块的驱动能力有限，因此容易出现驱动模块过流现象，导致死机。因此3D打印机在组装时Z轴电机应采用串联方式连接，如图5所示。

图4 3D打印机的调试过程

图5 步进电机串联连接

在调试3D打印机作单轴运动的过程中，X轴方向上的皮带轮轴承处的螺母易脱落，用弹垫防松效果不好，需采用防松螺母；Y轴方向上的电机运动会出现卡死问题，经查是由于结构位置没有准确校正，皮带与运动平面存在一定的角度θ，当热床向右移动时，∠θ不断变大，皮带拉力F在X轴向上的分量F1增大，F在Y轴向上的分量F2减小，当F2减小到无法克服阻力时，Y轴方向上的电机运动就被卡死。因此需尽可能地减小θ角，使皮带与Y轴平行运动。单轴运动调试如图6所示。

图6 单轴运动调试

在调试中发现，加热床的实际温度和软件显示温度之间存在差异，主要原因是由于加热电路板和铝床之间的粘合物使用错误，应将硅胶换为导热硅脂。在打印过程中发现打印不准确，经分析其原因为：运动控制精度低，缺乏有效可靠的插补控制能力；运动轴往返运动存在间隙，具体如图7所示。

图7 精度修正

图7中，

2dy=2×R-L2

2dx=2×R-L1

式中：dy为运动轴在Y向上的运动误差；R为半径；L2为运动轴在X向上的运动距离；dx为运动轴在X向上的运动误差；L1为运动轴在Y向上的运动距离。

2.3 3D打印机的建模

3D打印机的散件组装调试完毕之后，睿创空间利用开源硬软件技术，实现打印机成功运行。通过对3D打印软件参数的研究，经过不断修改调整，打印出的小黄鸭、金字塔、玫瑰花等模型已日臻精致完美。通过Pro/E、Autodesk等数字建模工具，可自主地进行正向、逆向模型设计，最终成功实现了雷达产品的3D模型打印制作。图8和图9是睿创空间利用建模软件制作的飞机模型以及为参赛机器人制作的头盔建模图片。

图8 飞机模型

图9 机器人头盔

3 3D打印技术在军工领域的应用

睿创空间的成立为中国电科开启了3D打印技术军民融合的探索之路。一直以来，中国电科不断探索3D打印技术的军民融合之路，以期突破现有传统模具的生产制造工艺、工序的高成本、长周期的瓶颈，将结构设计由传统串行设计模式转变为同步协同模式，使其在军品的工业造型设计、风洞试验、结构设计、可装配性、干涉检查等方面成为全三维结构数字样机重要的辅助设计手段，从而可以在极大程度上缩短产品的研发周期。

将3D打印和军工生产紧密结合，搭建开放性平台，可推动其与科研生产过程的有机结合，以手段创新提高工作效率，还可激发员工的创新思维，提升员工的岗位技能及自我解决难题的能力，从而提升人力资源的有效利用率。在3D打印机项目成功运作的基础上，3D打印技术被陆续运用到精益保障、移动互联网云平台等项目中，并已取得阶段性成果，在综合保障之在场快速维修中发挥了重要作用。

下面以某装备为例，具体阐述3D打印技术在装备综合保障领域的应用。装备的在场快速维修是指在合理的战术时间段内，对受到损伤的装备系统进行修复，从而使其恢复战斗能力所进行的修理。战场情形瞬息万变，快速有效的在场抢修至关重要，能够实现战斗能力的成倍增长。图10是通过对某部门一定数量装备的战损情况进行分析后得出的装备战伤抢修效果图。战伤率基本保持在8%。图10中的3个曲线带状部分代表3种不同的战斗损伤修理能力：最低的曲线带表示最“不理想”的情况，即所有战伤装备无法投入战斗所形成的变化曲线；中间曲线带为假设50%的战伤装备能在24 h内修复，它代表具备中等抢修能力的情况；最上边的曲线带代表具备良好的战伤抢修能力的情况，即50%的战伤装备可在24 h内被修复，30%的战伤装备可在48 h内被修复，其余20%的战伤装备则无法进行在场修复。每一条曲线带的下限表示2%的战损率，上限表示提高生存性后，战损率为1%的情况。

图10 装备战伤抢修效果

从图10可看出，在基线战损率为2%的情况下，一周以后，有良好战伤抢修的装备的可用率是“不修理”的装备的4倍左右。如果装备战损率由2%降为1%，可用率仅为没有降低前的2倍左右。另外，装备设计和制造技术的发展增加了装备的复杂程度，也增加了在场战伤抢修的难度，传统的方式方法已无法满足要求，需要有新的抢修技术和方法。3D打印技术的独特优势完美地满足了在场快速维修的全部需求，它能够对装备的部件，无论复杂与否，进行快速现场“生产”，快速补充所缺部件，使装备得到良好的抢修。且3D打印的生产效率是传统技术的3倍，打印出的产品更加精细轻盈(重量轻60%)，且同样坚固。可以预见，未来3D打印技术将会颠覆传统的装备技术保障维修手段[2]。

4 3D打印技术的未来发展趋势

3D打印技术的出现颠覆了众多行业中的设计、原型设计和制造流程，给材料科学、生物科学带来翻天覆地的变化，它正由以往的概念性技术演变成一场全新的技术革新。虽然3D打印技术、云计算、大数据等技术的出现并不短暂，但并未形成一个互为关联、互为加强的庞大有机整体。如果假以时日，3D打印技术终将会对全球经济模式产生明显的解构与建构作用，从而颠覆传统的规模经济运行模式，使科学技术和创新呈现爆发式的变革，主要体现在以下4个方面：

(1)定制个性化的复合新型材料

3D打印机可以通过新的方式将原材料加以混合，甚至可以根据需求对材料进行个性化的复合定制。在一个较小的范围内部，它以纳米级的精度嵌套多种材料，并将之编排到复杂的微观结构中，使新材料、纳米尺度以及印刷电子器件融于一体，同步制造与组装出多元结构的部件，展示出堪称神奇的新特性[3]。

(2)实现智能制造

智能制造的逻辑控制的实现有3种控制能力：控制物质的形状、构成和行为，即实现物体在结构、材料与活性上的三者有机统一。这3种控制能力的阶段性实现都会引起制造业的巨大变革。其中控制行为意为将程序写进材料，使之具备所需的功能，也即不再打印被动的零部件和材料，而是打印能够感知、能够反应、能够计算和能够行为的综合的主动系统，可以打印带有数字智能内涵的实体物品。3D打印的可编程物质有自己的思想，将形成自己的实体，具备机械和触觉能力。其数字处理能力将真正找到自己的腿，走进物质世界[4]。

(3)催生新的商业模式

“众包”是近几年出现的新的商业模式建构的一种，是一种分布式的生产模式，具有广泛的适用性。在强大的新技术支撑背景下，社会化、开放式的分工作业模式颠覆了以往大规模生产与交易方式，重新构建社会单元和拓扑结构，更直接地以终端用户价值的产生定义产出形态。

(4)取代传统的中国制造模式

基于3D打印技术和互联网平台的全球云制造模式具备更廉价、更快捷、更绿色环保的优势，极有可能取代传统的中国制造模式。

5 结束语

本文借助睿创空间这个平台，对3D打印技术未来的发展方向进行了一些探索。同时，对3D打印技术在中国军工企业的应用做了一定的尝试，目前还只是起步阶段，承担辅助作用，但呈现出来的可能性令人欣喜。相信在不久的将来，传统的军工制造模式将不复存在，3D打印技术将充当不可替代的重要角色。

3D打印，作为一种强大新颖的设计和生产工具，赋予人们专业设计师和制造业大企业所独有的设计和制造能力。但3D打印本身并不是魔术，在通往“自由”的终极道路上，还有很长的路要走，到底能走多远，与其他的科学技术诸如材料科学、纳米技术及工艺制造等息息相关。可以说，3D打印是先进科技的集大成者，是站在“巨人肩膀上”的产业。

[1] 胡迪·利普森,梅尔芭·库曼. 3D打印: 从想象到现实[M]. 北京: 中信出版社, 2013.

[2] 刘玉廷. 战场抢修技术面临的挑战与机遇[J]. 航空工程与维修, 2000(5): 19-21.

[3] 翟明明, 赵永朋. 装备军地一体化维修保障探析[J]. 装备指挥技术学院学报, 2005, 16(5): 30-34.

[4] 张炎炎, 李大光. 3D打印技术将引起武器装备发展变革[J]. 武器装备, 2013(7): 54-55.

彭 为(1973-)，男，高级工程师，主要从事雷达装备科研生产技术管理工作。

3D Printing Technology Application in Chinese Military Enterprises

PENG Wei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The definition of 3D printing technology and its application in the western countries and China are introduced in this paper. The assembly, modeling and debugging of 3D printer in Glarun Innovation are also described in detail. Research of 3D printing technology and its application to equipment logistic support in Chinese military enterprises are expatiated. Finally the future development trend of 3D printing technology is prospected.

3D printing technology; Glarun Innovation; on-site fast repair

2013-12-12

TP334.8

A

1008-5300(2014)03-0049-04