3D打印技术对装备维修保障的影响与对策

郭继周，　吴　集，　邓启文

(国防科技大学 国防科技与武器装备发展战略研究中心， 湖南 长沙 410073)



3D打印技术对装备维修保障的影响与对策

郭继周，吴集，邓启文

(国防科技大学 国防科技与武器装备发展战略研究中心， 湖南 长沙 410073)

摘要随着3D打印技术的迅速发展和打印材料种类不断增多，3D打印在装备维修保障领域已呈现出良好的应用前景。针对3D打印技术的快速发展，科学分析了3D打印技术为信息化战争装备维修保障带来的发展机遇，系统研究了3D打印技术发展对信息化战争装备维修保障的影响，提出了推进3D打印技术在装备维修保障领域应用的对策建议。

关键词3D打印技术；信息化战争；装备维修保障

近年来，3D打印技术获得迅速发展，受到世界各国的广泛关注，美国科学家将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”之一，有的甚至期望3D打印这种神奇的技术能带来“第三次工业革命”[1]。随着3D打印技术在武器装备设计、制造和使用保障等领域的广泛应用，可以预见，在信息化战争装备维修保障领域，3D打印技术将具有广泛的应用前景，应用3D打印技术对损伤部件进行修复和快速打印维修备件，将有力推动装备维修保障的变革创新。研究3D打印技术对信息化战争装备维修保障的影响，提出利用3D打印技术的措施建议，将为提升信息化条件下装备维修保障能力和推动装备维修保障变革创新提供重要技术手段和支撑。

13D打印技术带来的机遇

信息化战争的特点使得装备维修保障环境更加突变、保障任务更加繁重、保障需求更为多样和备件消耗难以预测，给维修保障状态转换和快速机动、维修保障体系创新发展、定制化保障和保障资源优化配置提出严峻挑战。3D打印技术的迅速发展与广泛应用，为装备维修保障提供了难得的发展机遇。

1) 3D打印的适应性，可显著降低装备保障力量的专业化门槛，为实现按需保障提供重要技术手段。未来信息化战争将是陆、海、空、天、电等部队的一体化联合作战，装备维修器材、保障设备、保障技术、保障人员等保障要素多元化趋势更加明显，与参战部队类型多样相适应，战场装备保障力量必然多元构成，利用3D打印技术，根据任务需要，按照打印需求进行保障，可大量减少生产和技术保障人员数量，降低保障力量的专业化门槛。美军在阿富汗战场上曾部署了3套3D打印设备，每套3D打印设备采用国际标准集装箱包装，可通过空运或公路运输方式直接投送到前方战场，只需要2名操作人员就可完成单兵防护装备和武器零部件的现场生产[2-3]。

2) 3D打印的便捷性及材料的可携行性，能够有效缓解保障需求多样和备件携行不便的困难，为实现抵前跟随保障提供重要技术手段。信息化装备系统复杂，零部件多，任何一个零部件出问题，都可能影响装备效能发挥和功能失效。信息化战争节奏加快、战场破坏性增大等特点加剧了战场维修保障需求，提高了备件器材消耗速度，使装备维修保障备件器材供应更加困难，任务更为繁重，传统的战场抢修、拼修在得不到有效备件保障情况下，很难满足维修保障需求。3D打印机携行便捷，打印材料易于携带和临时就近采购，通过抵前和跟随保障，能够尽量满足保障需求，提高维修保障效率。美军2003年部署的“零件野战医院”系统，采用激光快速成形技术生产备件，不到2 a时间就生产了1万多新备件，很好地满足了美军海外任务的执行。

3) 3D打印的快速性，可显著降低保障资源准备时间和后送时间，为实现即时保障提供重要技术手段。信息化战争作战行动迅速，交战双方力求充分发挥各自信息技术优势，在最短时间内，以最小代价速战速决，这种快速作战模式要求装备保障必须快速、及时、高效。3D打印速度快，能够实现“需要即获取，损伤即修复”的即时保障。3D打印已经具备快速打印和大尺寸部件打印的能力。目前，美国用最先进的3D打印机，1 h就能够制造出总质量约18 kg的武器，而且能够打印出长约为5.8 m、宽与高约为1.2 m的物品，中国也可打印长约4 m、宽与高约为2 m的部件[4]。3D打印机能够分散制造，通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术，可快速把部件的电子模型图变成实物，大大缩短保障时间。根据实际应用情况来看，使用相同数量的耗材制造零件，3D打印机的生产效率是传统方法的3倍[5]。

4) 3D打印的定制化功能，可为实现新作战空域的伴随保障提供重要技术手段。信息化战场多维化、立体化扩大了装备维修保障空间，从传统的陆地、海洋、空中已扩展至临近空间和太空等空域，要适应这种新特点，就必须发展相应维度的装备维修保障手段。3D打印技术能够实现定制化保障和无备件保障，通过在维修保障方仓配备3D打印机，能够有效解决空间站、宇宙飞船和远洋舰船等作战空域面临的伴随保障难题，为解决战场多维、保障点多和散的问题提供有效的保障手段。美国国家研究委员会2014年7月18日发布《太空3D打印》报告认为，3D打印技术能够为航天任务带来积极帮助，如在轨制造替换零件，不必频繁向太空运送备件或替换零件，减少发射需求；太空3D打印可以削减原料成本，减小有效载荷尺寸[6]。美国海军设想未来将海上补给舰改造为大型3D打印船，可根据远洋舰船保障需要进行实时生产制造，使制造过程与运输过程同步，成为为海军舰队提供作战区域内备件保障的海上浮动工厂。

23D打印技术对信息化战争装备保障产生的影响

未来信息化战场，对装备维修保障能力提出了更高的要求，将面临战场抢修、备件快速制造、部件可靠性维修性再设计、维修保障模式创新、修理预案设置等诸多维修保障问题。从长远发展和应用看，3D打印技术在装备维修领域具有很好的应用前景，能够为信息化战争装备维修保障提供重要技术手段。

1) 提升装备快速维修能力。3D打印具有材料制备、零备件一体化特点，可现场加工、现场成型、快速替换，与传统维修需要后送加工、战场前递相比，节奏大为缩短，维修更加快速，还具有前所未有的制造柔性。一是3D打印可数字化制造，大幅提升了维修保障效率。传统的部件和备件制造要依靠模具，工序耗时长，利用3D打印技术，可实现“一个人就是一家工厂”，只要数小时，就可以形成修改后的数字化“模具”三维数据，并迅速投入生产，从而大大提升装备维修保障效率。二是可针对装备上无法拆卸的部件进行原位快速修复。在故障部件能够局部可触的情况下，可用3D打印快速修复故障部位。美国的AV-8鹞式战机在起飞过程中发生故障，硬着陆时战机鼻锥轻微受损，工作人员采用3D数字数据和增值材料技术对其进行原位修复，大大节省了维修成本和时间[7]。三是可快速增材再制造修复损伤零部件。针对装备使用过程中损伤的零部件，利用3D打印技术，建立损伤部位的再制造模型，可实现零件的快速增材再制造成形，恢复其形状尺寸及理化性能，甚至使零部件性能在恢复后得到提升[8]。

2) 辅助装备维修性设计。3D打印技术能够快速根据零部件设计图打印出零件模型，无需进行模具开发，生产工艺简单，可推广应用于装备维修性设计。一是在装备设计阶段，可通过3D打印技术快速生成装备模型，对装备维修性中的可达性、拆解性等进行验证。二是3D打印可以实现任意复杂形状零件的“自由制造”，产品的结构复杂程度对工艺影响不大，可以解决过去传统加工方式难以制造的零件成形，从而改进结构设计，提升装备的维修性。三是根据部件可靠性、维修性指标，可以设计一些战损替代部件，适当降低备件指标性能尽可能满足战场基本需求。根据这个修理理念，厂家可设计出专门供战场临时替换的替代备件三维数学模型。

3) 用于战时快速制造备件和维修工具。随着装备系统日益复杂，导致装备零部件种类多、数量大，而且损伤类型多样，无法及时供应备件和维修工具，3D打印可以快速实现备件和工具制造，满足战损装备应急抢修需求。一是可快速制造战时装备备件。战时，技术保障人员可随时利用储存的部件三维数字图像，快速打印出备件，为战损装备应急抢修提供有效的解决方案。二是可快速生产战时维修工具设备。利用3D打印技术，一线维修人员可根据预先准备的数字化图纸，现场打印维修所需的维修工具或设备，必要时还可由后方设计人员根据前线维修需求临时设计新的维修工具和设备，再利用前线部署的3D打印机制造定制的维修工具。美国航天局正积极探索在太空任务中使用3D打印技术，为宇航员打印所需工具和零备件[5]。

4) 推动装备维修保障模式创新发展。3D打印技术是实现靠前维修、战损即维修的重要技术手段，在伴随保障、靠前保障和装备巡修方面越来越体现其优势。一是使靠前维修成为装备维修保障的重要手段。3D打印技术的发展与应用，使装备维修保障机构能最大限度地靠近作战地域进行配置，及时为一线作战部队提供其所需要的各种维修服务，确保部队具有持久的战斗力。二是使伴随保障成为新作战空域维修保障的主要手段。信息化战争条件下，未来作战范围更加广阔，作战空间更加多样，太空作战和远洋作战等新的作战样式将给部队装备维修保障带来更大困难，通过配备3D打印设备进行伴随保障，能够突破空间与地域的限制，更好地解决临时抢修中备件“带的用不上，用的没带上”等突出问题。三是使装备巡修成为提升部队装备战备完好的有效手段。目前，部队装备巡修工作量大、效率低，每次巡修只能针对某几种装备，发挥作用有限，如果部队开展巡修时能够配备3D打印机和打印材料，既能满足部队维修需要，又能增加维修的适应范围，从而大大提高装备巡修效率。

5) 推动装备维修方案的科学设置。在装备维修保障体系中，装备修理预案的设定对装备维修保障能力提升具有重大影响，利用3D打印技术，装备生产设计单位可根据部件可靠性、维修性和保障性等指标，预先为装备和部件设计好3D打印修理预案。一是对部件按修理等级进行分类，研究确定哪些是关键部件，确定部件损伤概率、部件修理响应时间、部件打印时间、部件材料特性和部件可拆卸性等指标，并按照这些特点对可3D打印的关键零部件进行分类。二是设置部件的修理手段，修理手段有很多种，如直接更换备件、3D打印快速增材再制造成形、3D打印原位修复、拼修等。三是设置多级修理预案，根据战场情况、设计情况和使用情况，把3D打印修理技术手段与故障类别对应起来，根据战场的紧急程度，设置多级修理预案，提高装备维修效率。

3推进3D打印技术应用于装备维修保障的思考

着眼于维修保障能力的快速提升和装备维修保障体系的深刻变革，为不断缩短我国与军事强国维修保障能力差距，应在国家和军队数字制造发展计划框架下，充分把握3D打印技术发展在装备维修保障领域的应用前景，进行以下思考。

1) 理清军事需求。3D打印技术发展和应用的军事需求是指导我军3D打印技术广泛应用于装备维修保障领域的重要前提。在总体需求方面，明确3D打印技术是军队装备维修保障的重要技术手段，将成为部队战斗力的倍增器，对信息化战争装备维修保障是一种颠覆性的创新，要找准3D打印技术在装备维修保障领域应用的方向和关键技术突破点；在作战任务需求方面，从装备维修保障任务着手，确定3D打印设备的配备需求，打印材料的采购需求，零部件三维数字模型需求；在技术发展需求方面，从基于互联网与开源思想的数字化制造技术发展视角，确定我军3D打印技术、材料技术、软件研发技术的发展重点。

2) 明确发展目标。依据3D打印技术国内外发展现状和我国3D打印技术在维修保障领域应用前景与需求，明确近远期目标。近期目标(2015-2020年)是发展金属成形、非金属成形等3D打印技术，加快推进3D打印由快速原型向快速模具、快速零件、快速工具方向发展，进一步提升3D打印精度和速度，降低打印成本，研发更多打印材料，提高3D打印在装备维修保障中的修理比重。远期目标(2020-2030年)是发展智能结构和生物材料成形等3D打印技术，重点突破陶瓷材料、生物活性材料3D打印，加快推进3D打印由快速原型制造到产品开发和批量制造，初步具备向太空配备3D打印维修方仓的能力和就地取材进行零部件3D打印的能力。

3) 制定技术发展路线。广泛开展机械制造、自动控制、计算机和材料科学等学科研究，加强CAD/CAM技术、数据处理技术、材料技术、激光技术和计算机软件技术等技术的研究与应用；加强3D成形工艺的基础技术、过程控制、过程建模与分析研究；开展数字化设计与分析、复杂结构功能件的3D打印制造、生物增材制造、超精密增材制造等3D打印前沿性技术研究；继续发展基于高能束的立体光刻造型工艺技术、选择性激光烧结工艺技术和薄形材料选择性切割技术、基于微滴喷挤的喷射快速成形技术、选择性熔融堆积技术等；大力发展3D打印精度控制技术、高效制造技术、复合材料增材制造技术等技术。

4) 实施举措建议。一是加强组织管理，为3D打印技术发展与应用创造政策支撑条件。从国家层面重视对3D打印技术发展的规划设计，做到统一发展规划、统一资源配置、统一技术体制、统一基础设施建设，确保3D打印技术发展与应用的科学实施，防止规划乱象，标准不一。二是开展基础研究和技术标准规范研究，为3D打印技术发展与在装备维修保障领域的应用提供基础支撑。在国家和军队数字制造发展计划框架下，加强制造原理、方法、工艺、材料的研究创新，研发出更多可供3D打印的材料，进一步提高3D打印的成形精度与打印速度；推动技术标准规范军民一体化，研究材料性能标准、软件接口标准、制造质量标准、制造工艺规范和元器件性能标准等，加快建立3D打印技术在维修保障领域应用的标准体系。三是加强3D打印材料和软件技术研发，满足更多零备件打印需求。3D打印材料与软件技术的研发和突破是3D打印技术推广应用的基础，也是满足备件打印和部件修复再制造的根本保证，要加强陶瓷及复合材料、智能材料与结构、生物材料与活性器官再造等材料的研制，形成完备的打印材料体系；要推进我国数字化、智能化水平，加强3D打印软件设计技术研发。

4结 束 语

3D打印技术之所以能引起全球高度关注，是因为它确实是一项颠覆性的创新技术，很可能带动新一轮工业革命。3D打印技术已经在武器装备设计、制造和使用保障等领域开展了广泛应用，在未来的信息化战争装备维修保障领域，必将发挥举足轻重的作用。要着眼我军装备维修保障需求，加强组织管理，深入广泛开展基础研究和技术标准规范研究，明确3D打印技术发展目标，制定3D打印技术发展路线，为提升信息化条件下装备维修保障能力和推动装备维修保障变革创新提供重要技术手段和理论支撑。

参考文献(References)

[1]黄健，姜山.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”[J].新材料产业，2013 (1)：62-67.

[2]邓启文，陈强，郭继周，等.3D打印技术对武器装备发展的影响[J].国防科技，2014，34(4)：63-66.

[3]宋立波，郭亚东.3D打印技术在未来战场保障中的应用及影响[J].外国军事学术，2013(6)：74-76.

[4]3D打印大量运用于关键军事领域[N/OL].文汇报，2013-08-08[2013-08-08].http://news.xinhuanet.com/world/2013-08/08/c_125134388.htm.

[5]王军.3D打印：打出装备保障新天地[N/OL].中国国防报,2013-07-08[2013-07-09].http://www.3ddayin.net/zx/2508.html.

[6]程绍驰.美国国家研究委员会发布报告建议充分重视太空3D打印[J].防务视点，2014 (10)：26-27.

[7]海军飞机硬着陆3D打印技术帮其修复[N/OL].科技日报，2014-09-05[2014-09-05].http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2014-09/05/content_276165.htm?div=-1.

[8]徐滨士，董世运，朱胜，等.再制造成形技术发展及展望[J].机械工程学报，2012，48(15)：96-105.

(编辑：田丽韫)

Influence of 3D Printing Technology on Equipment Maintenance Support and Relevant Countermeasures

GUO Jizhou，WU Ji，DENG Qiwen

(Center for Defense Science and Technology Strategy, National University of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China)

AbstractWith fast development of 3D printing technologies and increasing of printing materials, 3D printing has shown good application prospect in equipment maintenance field. Aiming at the rapid development of 3D printing technologies, the paper scientifically researches on the opportunities the 3D technology has offered for equipment maintenance support of information-based warfare, systematically studies on the influence of such technology on the equipment maintenance support of information-based warfare and brings out some countermeasures and suggestions on how to facilitate the applications of 3D printing technology in equipment maintenance support.

Keywords3D printing technology； information-based warfare； equipment maintenance support

文献标志码A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.005

文章编号2095-3828(2016)02-0022-04

中图分类号E919

作者简介郭继周(1975-)，男，助理研究员，博士，主要研究方向为科技发展战略、装备论证。jzguo@nudt.edu.cn

基金项目国家社会科学基金资助项目(13CGL162)

收稿日期2015-05-20