3D打印技术在车辆装备战场抢修中的应用

纪培彬，李慧梅，杨 明，唐彦峰

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

● 装备保障EquipmentSupport

3D打印技术在车辆装备战场抢修中的应用

纪培彬1，李慧梅2，杨 明1，唐彦峰2

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

为更好地满足车辆装备战场抢修要求，研究将3D打印技术引入到车辆装备战场抢修领域。分析3D打印技术应用于车辆装备战场抢修的可行性，论述3D打印技术应用于车辆装备战场抢修中的方法，提出3D打印技术应用于车辆装备战场抢修中的关键技术。

战场抢修；车辆装备；3D打印

作为集机动性、防护性及信息能力为一体的武器装备作战平台，新型车辆装备在现代战争中的作用越来越大，对其使用完好性和任务持续能力要求越来越高。为了赢得战争的胜利，对其实施有效地保障尤为重要。而随着车辆装备技术含量的增高和其复杂程度的提升，保障系统规模也越来越庞大，这给部队维修保障带来很大的压力。探索新的维修方法和先进维修技术的应用，以提高维修效率、减少保障压力成了一个亟需解决的问题。

3D打印技术作为一门新兴技术，在交通、医疗、军事、教育以及航空航天等多种领域得到了广泛应用。目前，3D打印技术在我军武器装备维修领域已有初步探索，军队相关院校如原装甲兵工程学院、原军械工程学院等不同程度地开展了3D打印用于维修的研究[1]。借助3D打印技术对车辆装备进行战场抢修，可以实现备件、维修工具等战时按需生产，从而减小保障规模、提高保障效率。

1 可行性分析

1.1技术可行性分析

跟传统模型制作相比，3D打印具有传统模具制作所不具备的性能优势[2]：①打印过程与零部件的复杂程度无关；②打印生产成本与生产批量无关；③打印生产周期短；④打印材料无浪费。

3D打印技术本身也存在一些局限性。例如，打印时间较长，打印实体尺寸受限等，这些均会造成一定的应用风险。但是，3D打印在打印尺寸和打印速度上的不足并非不可克服。例如：Jasper Menger研制了一款机械臂3D打印机，打印尺寸最大可达8 m×3 m×2 m[3]。意大利Dynamo 3D 研制出了一款打印速度高达400 mm/s的 3D打印机[4]。另外，如果3D打印技术与传统制造技术相结合，即增材技术和减材技术的结合，将很大程度提高3D打印的速度以及精度。所以，不断发展的3D打印技术，对于车辆装备战场抢修来说，其技术上是可行的。

1.2实装应用可行性分析

随着3D打印技术和设备的发展，其在实装使用方面也日臻成熟。 美国陆军快速装备部队(REF)在战区部署了第二个移动远征实验室(ELM)，使用3D打印机和计算机数字控制设备，修复在作战中受损的飞机和地面车辆。美国海军也将3D打印机规划为海上船只的标配设备，不仅可为行驶中的船只打印供临时使用的零件，还可用来打印无人机群，拟实现“海上制造”的能力。

我军在“补给-2015行动”中，西部战区后勤部门成功应用了集成在战场抢修车中的3D打印设备，现场应急打印了车辆的联轴器，节约了人力，提高了抢修效率[5]。

由此可见，3D打印技术已经初步适应野战环境条件。随着3D打印技术日臻完善，将不断克服野战恶劣环境的适应性问题，提高野战化应用程度。

2 应用方法

车辆装备战损后，首先应当进行损伤评估，对于不影响当前任务的损伤装备，不予以抢修，正常使用。对于影响当前任务的损伤装备，按照损伤程度，可以依次采取应急使用、现场抢修、后送修理和报废等4种处理方式。

现场抢修中，优先采用的方法是换件修理。换件修理是指使用备用的部件替换有功能故障的、损坏的或磨损的部件。但是，车辆零部件众多，数量庞大，很难保证携带足够匹配的备件。当没有备件或条件不允许时，可以按照维修工作由易到难、资源消耗由少到多、抢修时间由短到长的顺序，选择切换、切除、重构、拆拼、替代、原件修复、制配等方式予以抢修[6]。

2.1抢修内容

(1)制造零件。在战场上，车辆装备由于战场损伤无法完成预定任务，得不到备件进行维修的情况时有发生。利用3D打印技术实时制造零件，能有效解决类似问题。3D打印尤其适用于制造以下类型的零件：①较重要的易损件；②不携带的不易损件；③占空比大的零件；④可暂时用其他材料替代的金属零件；⑤结构可简化的零件；⑥尺寸可调整的零件；⑦已停止生产的零件。

(2)制造维修工具设备。战场环境下，维修工作难免会遇到维修工具准备不到位的情况。利用3D打印技术，一线维修人员可根据预先准备的图纸，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[7]。

2.2抢修方法

(1)现场抢修的换件修理。利用3D打印系统，帮助维修人员利用三维模型和3D打印设备，现场快速生产原型产品。

(2)现场抢修中的重构。重构是指系统损伤后，利用抢修器材或就便物资，重新构成能完成其基本功能的系统。如杆类零件折断后的焊修、表面裂纹的粘接焊修、管类零件的修复等。利用3D打印系统，可以对折断、裂纹等进行自由臂原位修复，也可以现场打印损坏部分，予以更换。

(3)现场抢修中的原件修复。原件修复即利用在现场上实用的手段恢复损伤单元的功能或部分功能，以保证装备完成当前任务或自救。为完成修复任务，可应用刷镀、喷涂、粘接、堵漏等技术。利用3D打印系统，可以打印堵漏塞等修复器材，也可以按照重构的方式，打印破损段进行原件修复。

(4)现场抢修中的制配。制配即自制元器件、零部件以替换损伤件，分为按图制配、按原件(品)制配、无样件(品)制配等。利用3D打印系统，可以对破损件进行现场制配。由于战场上时间因素的约束，制配时应当对损伤部件进行简化设计，保留主要功能，以节约打印时间。

(5)后送修理。可在后方保障机构配置3D打印系统，对战场上后送的损坏件进行备件、工具、器材等的打印和更换。

2.3抢修模式

(1)伴随保障。可以将3D打印机安装在抢修车上，伴随转场，当车辆装备出现故障或损坏，视情打印、换件或维修。

(2)巡回修理。在两车一组的巡回修理中，可在修理车或保养车上安装一台3D打印机，当配件不足或不匹配时，可采用3D打印进行维修。

(3)驻地维修。对于后送的战损装备，当配件储存量不足或有特殊件损坏不易维修的，可使用3D打印进行打印配件。

(4)远程维修。充分利用网络平台，将3D打印与远程诊断相结合，可采用前方诊断、数据传回、打印配件、送达配件进行维修。

3 关键技术

3.1权衡分析技术

受战场环境、车辆装备战损件的特性以及3D打印技术的特点限制，并不是所有的车辆装备零部件都适用于3D打印，所以需要利用权衡技术对3D打印件进行选取。

研究影响车辆装备应急抢修的各种因素，如根据损伤模式和损伤机理确定的部件抢修需求，部件抢修的时间限制、费用限制、质量要求，部件本身的损伤程度、重要程度和个性化程度等，分析各个因素在不同时期、不同用途和不同要求下的权重转换关系，利用运筹学中的权衡建模方法，建立用于权衡车辆装备的某个部件或某个工具是否可用3D打印的权衡模型。

3.2代用材料技术

3D打印能够打印金属、尼龙、塑料、光敏树脂等不同材料，塑料(如ABS、PLA等)打印精度和速度都比较高、成本低，而金属和尼龙则成本高、速度慢，且适用的打印机造价高、数量少。可见，选择不同的材料，对3D打印现场抢修的效率、成本有重要的影响。结合战场抢修的要求，可适当降低维修的标准，使用代用材料打印零件，保证车辆装备能够完成作战任务或实现短时间工作。因此，研究能够满足战场抢修应用的代用材料，提高打印速度，是一种需要着重研究的技术。

3.3控制策略技术

目前，在3D打印技术中，由于3D打印方法和材料的限制，如果想提高打印的效率，很大程度上取决于3D打印控制技术。

3D打印控制技术主要是研究3D打印喷头行走路径的控制算法。3D打印喷头行走多余的路径，将降低打印速度；3D打印路线的变化更会影响打印件的力学性能。所以需要利用控制系统理论及路径规划方法，针对不同的打印需求，从速度、精度、质量等方面，研究3D打印的控制策略和打印路线，以最少的时间和成本完成打印需求。

3.4野战适应性技术

应急抢修环境恶劣，经常需要野战机动，而3D打印对精度要求比较高，需要对野战环境的需求进行研究。其中，震动是影响精度的重要因素，因此，研究防震技术或容震技术是应用于实践的首要问题。

目前，防震技术可分为被动式防震技术和主动式防震技术。

被动式防震技术无需对3D打印机内部进行改造，也就是不需要3D打印机内再加装任何软件和电子元器件，只是在3D打印件外部加装减震的缓冲层或减震的元器件。例如：在3D打印机的周围填充一些海绵或橡胶材质可以吸收震动的缓冲层，从而可以避免一些偶尔的颠簸或者轻微的颠簸对3D打印机所造成损伤；或者在3D打印机底部加装减震弹簧，减震弹簧的效果比海绵等的缓冲层的减震效果更好。

主动式防震技术在被动式技术的基础上还需加入加速感应芯片，判断3D打印机是不是处于震动中或跌落状态，还需预装在系统中的特殊软件对3D打印机进行管理，也就是所谓的软硬结合，可以最大限度保证3D打印机在频繁的震动或颠簸下的打印安全。当3D打印机出现了振动、撞击或者跌落，主动式防震技术会以毫秒为单位迅速将3D打印机的喷头从工作状态收回到喷头停止区，从而减小撞击对3D打印机的损害，保护3D打印机以及所打印的目标零部件。

除了防震外，在战场环境中，3D打印机还要适应其他野战环境，如风沙、高温、高寒、潮湿、电磁等，这些都是3D打印应用于抢修实践的制约因素和关键技术。同时，3D打印如果要真正在战场中得到充分应用，还要解决其他一些关键技术，如3D打印机本身的可靠性、生存性、测试性、维修性、保障性和环境适应性等质量特性。

4 结 语

3D打印技术的特点很好地吻合了我军车辆装备维修“以最少的维修资源消耗，取得最好的维修效益”的原则，在我军车辆装备维修领域将大有作为。

随着3D打印技术的不断成熟和车辆装备战场抢修3D 打印技术体系的不断发展，3D 打印技术将有效解决我军车辆装备在战场抢修中存在的维修备件不足且不易获取等实际问题，必将在车辆装备战场抢修方面发挥着不可替代的作用。

[1] 朱胜,柳建,殷凤良,等. 面向装备维修的增材再制造技术[J]. 装甲兵工程学院学报,2014(1):81-85.

[2] 陈淳辉.刍议3D打印技术在舰船装备维修保障中的应用[J].现代制造技术与装备,2015 (1):46-60.

[3] 中国3D打印机网.带机器人臂的3D打印机可打印8米长对象[EB/OL].(2015-03-24)[2017-03-20].http://www.china3dprint.com/news/9623.html.

[4] 中国3D打印机网.意大利DYNAMO公司推出快速打印的D3D一EVO 3D打印机[EB/OL].(2014-07-19) [2017-03-20].http://www.3ddayin.net/news/7808.html.

[5] 欧阳治民. 3D打印提升装备野战抢修效率[N].解放军报，2015-08-12(2).

[6] 甘茂治,康建设,高崎.军用装备维修工程学[M].北京:国防工业出版社,2005:317-315.

[7] CAFFREY T.Additive manufacturing and 3D printing state of the industry annual worldwide progress report[J].Engineering Management Research,2013,2(1):209-222.

(编辑：孙协胜)

Applicationof3DPrintingTechnologyinVehicleEquipmentBDAR

JI Peibin1, LI Huimei2, YANG Ming1, TANG Yanfeng2

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

In order to meet the requirements of vehicle equipment BDAR, the paper introduces 3D printing technology into the field of vehicle equipment BDAR. It firstly analyzes the feasibility and methods of applying 3D printing technology in vehicle equipment BDAR. Then, it provides key technologies of applying 3D printing technology in vehicle equipment BDAR.

battlefield damage assessment and repair (BDAR); vehicle equipment; 3D printing

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.008

E246

A

1674-2192(2017)10- 0029- 04

2017-04-20；

2017-05-26.

纪培彬(1992—)，男，硕士研究生；唐彦峰(1962—)，男，硕士，教授，硕士研究生导师.