3D打印应用于车辆低压管路的抢修设计与试验

封会娟，杨 明，唐彦峰，李慧梅

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161; 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161)



● 装备保障 Equipment Support

3D打印应用于车辆低压管路的抢修设计与试验

封会娟1，杨 明2，唐彦峰1，李慧梅1

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161; 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161)

在对3D打印技术的原理、技术、材料和应用情况进行综述的基础上，选取车辆易损件低压油管为研究对象，分析其功能特性和损伤特点，设计其3D打印抢修方案，并按照抢修方案进行实车验证。实验证明，3D打印技术应用于车辆装备低压油管的抢修是可行且有效的，将3D打印技术应用于战场抢修值得探索研究。

3D打印；车辆装备；低压油管；战场抢修

信息化联合作战背景下，车辆装备的使用任务已经由简单的运输工具，提升为远程机动、兵力投送以及信息化武器装备的作战平台。车辆装备的管路系统十分复杂，在制动系统、燃油系统、传动系统和冷却系统中都有各类不同功能的管路。其中，回油管、冷却水管等低压管路是重要的功能件，在战场条件下最易遭到弹片散射而发生损伤，严重影响车辆装备的使用性能和任务完成，需要实施快速有效的抢修。目前，低压管路的抢修主要是换件、替代和修补等，虽简单成熟，但需要携带大量的备件或器材，不仅造成了一定的保障负担，还会出现由于携带的备件或器材不适用而无法修复的情况。

3D打印作为一种发展迅速的新兴技术，因具有快速成型、制造程序简单等诸多优点在各国军事领域均展现了强劲的发展势头。例如，美陆军先后部署了两个移动远征实验室，用于装备维修保障；美海军则直接提出了将3D打印作为舰船标配实现海上制造的能力[1]。我军虽然也进行了初步探索，且目前在以装甲兵工程学院为主的再制造维修方面已有深入研究，但在战场快速抢修方面则基本空白。文章以低压油管为突破口，研究战场环境下利用3D打印进行抢修的方法，以期为车辆装备战场抢修进行探索研究。

1 3D打印技术概述

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，将材料沉积或黏合为材料层来生成三维实体的技术，又称为“增材制造”技术。与传统机械制造工艺不同，3D打印技术无需原胚和模具，可以根据三维图形数据实现自由制造[2]。其成型过程如下：①通过专业的3D扫描仪或使用SolidWorks、AutoCAD等三维建模软件建立工件的三维数字化模型；②通过专业的软件对模型进行切片处理，将其转化成打印机可以识别的二进制代码；③将数据文件导入3D打印机，逐层打印获得模型实体；④模型打印完成去除支撑、底座，完成打印件[3]。

3D打印的主流技术包括FDM、3DP、SLA、SLS、LOM等，其主要区别在于使用的耗材和成型方法不同(见表1)。

表1 3D打印的主流技术

随着3D打印技术的不断成熟与发展，其应用领域也在不断扩展。从过去主要应用于模具制造、工业设计等领域的模型制作与设计研发，发展到广泛应用于装备设计与制造、装备保障、航空航天、建筑、汽车、土木工程等众多领域，应用前景十分广阔[4]。

2 低压油管3D打印抢修方案设计

利用3D打印技术实施低压油管抢修，首先要对其进行3D打印抢修方案设计。包括抢修方法、3D模型、所用材料、所用设备及打印参数等。

2.1 抢修方法设计

3D打印技术应用于抢修的优势，在于可以根据损伤程度灵活地调整模型尺寸实现按需订制。结合传统抢修方法，拟定以下两种抢修方案，装配方法如图1所示。

(1)对于损伤尺寸相对较长(一般>15 cm)的油管，可打印外径与损坏的低压油管外径相同的管件，利用快速接头将打印管件与破损的低压油管两端固定(如图1(a)所示)。

(2)对于损伤尺寸较短(一般≤15 cm)的油管，可打印内径与损伤的低压油管外径相同的管件，利用密封胶或采用加热膨胀方式，将打印件与破损的低压油管两端固定。此种方法应用时要注意考虑材料收缩比和管件配合，合理调整管件尺寸(如图1(b)所示)。

图1 低压油管抢修的两种装配方法

2.2 油管的3D模型设计

(1)三维几何模型设计。采用SolidWorks三维构图软件对油管进行建模，建立相应尺寸的三维模型。油管模型的内径、长度可根据破损管路的尺寸做相应调整(如图2所示)。

(2)切片处理。将 3D模型转换成3D打印可识别的STL 文件格式，调整误差，然后通过分层控制软件对3D模型文件进行位置和尺寸调整，选择成型方式并设置相关参数，完成切片处理并生成打印机可以识别的数据文件(如Gcode文件)，分层切片过程如图3所示。

图2 低压油管的三维模型

图3 分层切片过程

2.3 打印材料分析与选取

材料性能是低压油管最为重要的指标，它决定了低压油管能否适应复杂的工作环境。分析现有打印耗材与低压油管的技术特性指标可知，尼龙、碳纤维、以PLA材料为代表的工程塑料都可以作为低压油管的暂时代用材料。其中：尼龙、碳纤维材料一般是采用激光烧结的成型方法，成本相对较高而且打印设备较为庞大；PLA材料机械性能及物理性能优异，具有良好的流动性、热稳定性，加工温度170～230 ℃，打印成品成型好、外观光滑[5]。因此，综合考虑材料特性以及战场抢修的时效性要求，选择PLA材料作为低压油管3D打印抢修的耗材。

2.4 打印设备分析与选取

PLA材料一般以FDM的成型方法进行3D打印，与SLA、SLS等方法相比，该方法成型速度快、成本低、打印设备的体积相对较小，且使用维护简单，非常适用于战场复杂环境。因此，选择基于FDM原理的Softsmart-40s型打印机作为打印设备。

2.5 打印参数分析与设置

打印过程中的参数设置对打印件的质量影响重大。本文主要对分层厚度、打印温度、填充率3个参数进行研究，其他参数对打印精度和质量影响不大，暂不做研究。

(1)打印温度。打印温度与PLA材料的基本性能和喷头的相关设置有关。 PLA材料流动性最好的温度范围为210～225 ℃，因此选择打印温度为215 ℃。

(2)填充率。打印机的默认值为20%，为了保证低压油管的使用性能，填充率设为100%，以保证较好的打印强度。

(3)分层厚度。层厚的选择对成品的拉伸强度和打印品质有着直接关系，层厚越小，成品纵向拉伸强度越大，结构更加致密。不同层厚对打印误差影响也存在差异[6]，其影响如图4所示。综合考虑，选择0.15 mm的层厚，以保证较高的打印品质。

图4 不同层厚对打印误差的影响

3 低压油管3D打印试验

3.1 试验背景

在某次演习行动中，一辆负责兵力物资运输的EQ1118G遭到埋伏，发生损伤。经检测，其油箱的出油管出现破裂漏油情况，需立即抢修。

3.2 试验过程

(1)损伤评估。通过战场损伤评估，油管的断裂部分尺寸大约为100 mm，演习现场没有配备相应的替换件及器材，无法按传统的抢修方法进行维修。因此，拟采用抢修车上的3D打印机实施抢修，考虑断裂尺寸较小，选取第2种抢修方法。

(2)提取3D打印模型。调取第2种抢修方法相应的油管3D模型文件，并将其按12 cm的尺寸予以调整。通过SD卡将Gcode文件导入3D打印机准备实施打印。

(3)实施打印。选取由哈工大研发的Softsmart-40s型打印机，该打印机的最小尺寸分辨率是0.6 mm，可以满足低压油管的打印要求。其规格参数见表2。

表2 Softsmart-s型3D打印机规格参数

按照打印方案中的参数设置对打印机进行打印温度、层厚、填充率等基本的参数设置，选取模型文件，3D 打印机主板里固化的软件开始读取文件，并控制逐层打印。

(4)打印成品。经过约30 min的打印，获取了成型的3D打印油管(如图5所示)。

图5 3D打印低压油管成品

(5)实车装配。将车辆上低压油管的破损部位切除，清洁切除处并将毛刺清理干净。将打印成品两端套在破损低压油管上使其紧密配合，并用密封胶密封连接部分(如图6所示)。

图6 打印件实车安装试验

(6)实车运行。启动车辆并试运行，抢修的低压油管恢复正常供油，经过长时间运行(从损伤地点回营地)，没有发现漏油现象及其他故障，车辆恢复了正常运行。

3.3 试验结果分析

在试验过程中，首先根据破损管路的直径及长度打印所需的3D抢修件，并进行完全配合安装，使抢修具有针对性和精确性；其次，利用3D抢修件修复的管路，能够长时间运行而不需更换新管，提高了抢修工作的有效性；然后，在野外运行环境中成功开展了打印和抢修工作，初步检验了3D打印设备的野战适应性，为3D打印抢修的应用研究提供了实践支撑。

4 结 语

本文以低压油管为研究对象，采用FDM成型方法，利用所设计的3D打印抢修方案，有效开展了实车试验，证明了3D打印技术应用于车辆装备战场抢修的可行性和有效性。随着3D打印技术本身的不断成熟，以及应用于战场抢修研究的深入，3D打印技术必将成为战场抢修的重要手段，以其精确、简便、快速等优势，可为现有战场抢修体系提供一种新的思路和方法。

[1] MARY J. WERKHEISER.3D Printing in Zero-G ISS Technology Demonstration[C].AIAA 2014-4470.

[2] 王雪莹. 3D打印技术与产业的发展及前景分析[J]. 中国高新技术企业,2012(26):3-5.

[3] 李青,王青. 3D打印:一种新兴的学习技术[J]. 远程教育杂志,2013(04):29-35.

[4] 程美. 3D打印技术及其在汽车制造业中的创新应用[J]. 模具制造,2014(08):79-81.

[5] 陈庆,曾军堂,陈韦坤. 3D打印塑料材料技术现状和发展趋势[J]. 新材料产业,2015(06):27-32.

[6] 王菊霞. 3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[D].吉林大学,2014.

(编辑：孙协胜)

Design and Experiment of Applicating 3D in Emergency Maintenance of Vehicle Low-pressure Pipeline

FENG Huijuan1， YANG Ming2， TANG Yanfeng1， LI Huimei1

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

After introducing the theory, technology, material and application status of 3D printing technology, the paper chooses low-pressure pipeline as the study object and analyzes its function and damage characteristics, and designs an emergency maintenance plan and tests the plan with real vehicle. The test proves that 3D printing technology is feasible and effective in low-pressure pipeline repair and its worth to explore and study the application of 3D printing technology in BDAR.

3D printing; vehicle equipment; low-pressure pipeline; BDAR

2016-08-12；

2016-09-23．

军事交通学院科研计划项目(2016B44).

封会娟(1980—)，女，博士，讲师．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.12.010

E246

A

1674-2192(2016)12- 0039- 04