3D打印技术在航空兵场站的应用研究

刘宇杰 秦敬辉

（空军勤务学院，徐州 221000）

3D打印技术在航空兵场站的应用研究

刘宇杰 秦敬辉

（空军勤务学院，徐州 221000）

针对3D打印技术在航空兵场站飞行保障中的应用空白，从3D打印技术的特点出发，研究了其在航空兵场站生活、装备、物资、卫生等保障领域的应用前景，找出了3D打印技术在航空兵场站应用需要解决的问题，为航空兵场站应用3D打印技术提供了思路与建议。

3D打印，航空兵场站，飞行保障

1 3D打印技术的特点与发展现状

1.1 3D打印技术的特点

3D打印技术是一种利用计算机辅助设计软件仿真设计后，通过3D打印设备以材料累加的方式制成实物的增材制造技术。其实质是一系列快速成型技术的统称，基本原理是叠层制造，由快速成型机在二维平面内通过扫描形成工件的截面形状，而在第三维度上不间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。目前，较为成熟的快速成型技术主要包括三维打印技术（3DP）、熔融层积成型技术（FDM），立体平版印刷技术（SLA）、选区激光烧结技术（SLS）、激光成型技术（DLP），以及紫外线成型技术（UV）等。

3D打印技术的特点主要包括以下5个方面：一是可轻松制造复杂物品。在计算机辅助设计软件的帮助下，3D打印技术可以轻松地制造各种复杂的物品，对于制造多样少量的物品来说，可大幅缩减定制成本和造型成本，能够满足个性化物品制造的低成本要求。二是无需零件拼装。3D打印技术可以一次性将一整件物品打印出来，无需各零部件在生产线上进行组装，制造快捷、高效，缩短了产品供应链，可满足对物品制造时间短的要求。三是零时间、零库存、零技能制造。3D打印机操作便捷，只需要按照设计文件中的指示就能在物品需求提出后即刻打印，零时间交付，减少甚至无需实物库存，降低了库存采购与保管费用。四是突破传统设计理念。利用3D打印技术可以完成受传统生产工具限制的各种前卫物品的设计，并且可以通过材料的无限组合，制造出更加符合需求的各种新产品，是物品创新设计的利器。五是打印精确而环保。3D打印机可以精确打印出各种物品，而不会产生废弃的副产品，不仅节省了原材料，还提高了物品的制造效率，符合绿色经济发展要求[1]。

1.2 3D打印技术的发展现状

3D打印技术在国外起步较早，应用广泛。1984年，Charles Hull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，并于1986年发明了立体光刻工艺，申请专利后，成立了3DSystem公司。之后，3D打印技术迅速发展起来，应用范围不断扩展，并在商业领域取得了重大成功。从福莱斯特大学利用3D打印机打印出人体皮肤和骨骼，到澳大利亚企业采用3D打印技术打印出无人机，甚至好莱坞都在使用3D打印机来制造演员服装。这些商业化应用也引起了国防领域的关注，美国军方十分重视对3D打印技术的应用。2012年8月，美军向阿富汗战场部署移动远征实验室（ELM），该实验室实质上是一个数字化加工厂，部署了3台3D打印机，主要致力于制造有武器系统和平台的小部件和配件等。2013年3月，美国海军成立Print the Fleet项目组，旨在开发3D打印零部件的程序和规则，寻找3D打印技术的创新性应用。美国空军俄克拉荷马州空军后勤中心（OC-ALC）正在开发一项战略计划，旨在将3D打印技术纳入到当前空中力量维持的每个方面，计划在未来数十年内完全集成增材制造技术。

3D打印技术在我国起步较晚，但发展迅速。我国对3D打印的研发起步于20世纪90年代初，已经有了长达20多年的探索和积累，在科研方面颇具实力，某些技术已经世界领先，但是在产业化和军用化方面仍不成熟。2010年，我国研制出了工业级的1.2m×1.2m快速制造装备，这是世界上该类装备的最大工作面，超过德国EOS公司和美国3DSystem公司的同类产品。此外，我国在国际上首次全面突破了相关关键构件激光成型工艺、成套装备和应用关键技术，成为迄今世界上唯一掌握大型整体钛合金关键构件激光成型技术并成功实现装机工程应用的国家。3D打印技术在我国日益受到重视，2012年10月，中国3D打印技术产业联盟在北京成立，改写了我国3D打印行业单打独斗的历史，整体竞争力进一步增强。2014年，我国3D打印技术的首个行业标准正式立项，这标志着我国3D打印技术向着规范化、产业化方向迈进。但是，军队对3D打印技术的应用还处于研究论证阶段，各项程序和规范还没成形，尚未开展大规模实践。

2 3D打印技术在航空兵场站的应用分析

2.1 3D打印技术在航空兵场站的主要应用领域

在生活保障领域：依据3D打印技术可以轻松制造复杂物品，以及将材料进行无限组合等特点，可实现被装保障领域的“敏捷制造”。例如，通过将各种不同的材料、传感器同时打印在服装上，为飞行员设计出可以监测身体各个部位状态的服装、为机务人员生产隔热耐磨的服装、为油料管理人员提供阻燃的服装等。3D打印技术可以实现被装功能的多样化，满足场站不同人员的需求，可以很好地解决当前被装生产功能不足的难题。此外，按照“数字菜谱”，利用3D食品打印机将各种液体或粉末状的食物原料注入食品打印机，能够为飞行员和保障人员打印出种类丰富、搭配合理、营养完善的食品[2]。3D食品打印机还可以帮助炊事员完成复杂的食品制作程序，大幅缩短饮食保障中的食品加工时间，提高了战时饮食保障效率。

在装备保障领域：航空兵场站保障装备数量多、类型杂、使用频繁，装备维修保障任务重。而部队基层级维修能力较低，维修备件要依赖多级供应渠道保障，战时、急时可能会造成保障的延误，传统解决方法是大量预置备件材料或在装备之间通过拆换完成，但都不是好的办法。利用3D打印技术可为装备维修提供一个有效的备件解决方案，战时、急时仅需利用预先携带的装备部件数据和复合打印原料，利用3D打印机即可制造应急备件，快速恢复装备的保障能力，不仅能够大幅降低复杂装备部件的生产成本，还可以有效缓解备件供应系统的负担。此外，战时、急时面临多种突发情况，一线维修人员可能由于缺乏相应的维修工具和设备且无法返回获取造成装备维修延迟。利用3D打印技术，维修人员可根据相应的数据文件，现场打印所需的维修工具或设备，加快装备维修进程。

在物资保障领域：随着精确制导武器打击效能的不断提高，所需弹药在总量上会大大减少，摧毁某个目标时可能仅需一枚或几枚精确制导武器，这就为3D打印机的应用提供了条件。在前方作战部队对某种精确制导武器需求量不大的情况下，携带弹药关键部分，剩下部分可以依据战争进程按需打印；3D打印技术应用于物资保障后，传统的实物物资存储就失去了存在的实际意义，只要计算机中存储相关物资的三维数据文件，就可以直接进行现场生产。因此，传统的大批量实物物资存储模式将逐渐弱化，取而代之的是各种物资器材的数字模型库[3]。这样，不仅省下了库存空间，也减少了物资筹措、管理、维护工作，极大地节省了人力、物力、财力。例如，利用3D打印技术，航空兵场站可以随时直接制造出急需的各种航材，避免出现因为仓库没有相应的航材而导致飞机无法起飞，从而大大提高飞机的完好率。

在卫生保障领域：利用3D打印机可以按需快速精确制备适合不同伤员的个性化生物医用高分子材料，并能够对材料的微观结构进行精确控制，特别是一些需要根据个人不同需求个性化制作的材料，由于患者个体差异较大，如果逐一生产多种规格的材料难度较大，使用3D打印技术则可以很好地满足每个人的需求。在战时、急时，由于野战医院医疗物资储备有限，当由于缺乏一些特殊器材或医学材料无法救治时，只能选择运送至后方医院。利用3D打印技术，可将各个医疗器材和医学材料的数据模型保存，在需要的时候利用不同的打印材料进行临时制造，现场救治伤员，能够大幅提高伤员的存活率，减少伤亡人数。

2.2 3D打印技术在航空兵场站应用的前景展望

3D打印技术在航空兵场站的应用将实现保障模式由输送向制造转变。以往的航空兵场站飞行保障需要各保障分队在各自股、连进行生产、管理，在飞行保障需要时再进行外场运送，一个场次一般要出动相关人员200余人，各类装备上百台（套）。今后，可在外场建立综合保障中心，利用3D打印技术，将部分保障工作移交外场综合保障中心完成，减少人员、车辆、物资前送的数量，提高保障效率。在野战环境下，可以利用便携3D打印机完成各种自我保障，进行快速机动，无需大量的保障人员、装备随行，可大幅减少输送比例，转向以现场操作制造为主。

3D打印技术在航空兵场站的应用将实现保障物资由实物储备向数据储备转变。3D打印技术可以将计算机中的三维数据文件进行实物制造，这样，未来的物资保障就不需要大规模的实物储备，减少仓储成本、降低管理消耗、提高保障速度，更好地应对复杂多变的战场环境。利用3D打印技术，建立各种实物物资的数据库，便可以随时随地进行批量生产。对于飞行转场时的伴随保障，可以把保障资料传送到进驻场站，由进驻场站提供快捷、高效的保障。未来，场站需要的就是存储大量的打印材料，而在材料一级，通用性强、体积小，更方便存储和使用[4]。

3D打印技术在航空兵场站的应用将实现保障人员向操作型和专家型转变。目前，保障人员包括采购人员、管理人员、运输人员、维修人员等，人员繁杂、程序繁琐。利用3D打印技术，可精简各类保障人员的数量，主要向操作型人员和专家型人员转变。3D打印机像其它保障装备一样，需要专业的操作人员进行操作生产。因此，必须对一线保障人员进行培训，使其熟悉3D打印机的操作，能够独立完成生产过程。而对于各种实物3D模型的建立、3D打印原材料的选取等，则需要3D打印技术领域的专家型人员在后方进行研究，提供相应的技术支持。

2.3 3D打印技术在航空兵场站应用中面临的问题

一是尚未制定相应的使用程序与规则。现阶段，对于3D打印技术的军事应用大都停留在实验阶段，真正大规模的应用并未出现，尚未形成一套权威的使用程序与规则，尚未形成模式化的产业链。美国海军的Print the Fleet项目组在3D打印零部件的程序和规则制定方面走在前列，但是至今仍处于探索研究阶段。我军对于3D打印技术的使用与研究刚刚起步，尚未经过反复实践，未形成规范的程序与规则。因此，亟需建立一套基于军队应用3D打印技术的程序与规则，用以规范3D打印机的使用，从而为3D打印技术在军队的大规模使用提供依据。

二是质量检测手段不足以应对装备需求。打印材料、打印工艺和打印环境对3D打印产品的质量影响巨大，细微的变化都可能导致打印产品质量的改变。当前的3D打印技术仅仅是可以按照数据模型打印出相应的产品，对于产品质量的检测等后续工作缺乏有力的支撑，没有3D打印机自检测功能，也没有专业的测试仪器。例如，航材保障中细微的差别就可能导致飞机无法顺利升空，或者升空后出现各种问题。因此，必须建立完善的产品3D打印控制机制和检测机制，3D打印产品必须经过专业的测试才能批准使用，确保打印产品的稳定性。

三是数据模型库的安全形势严峻。要想大规模使用3D打印技术，必须建立大型数据模型库，存储各物品的数据模型。而数据模型库中的数据对应的都是相关物品的技术参数，一旦敌人窃取了数据模型库，就相当于窃取了相关武器装备的资料。因此，数据模型库面临着十分严峻的安全形势，必须严格管控，建立相应的编码机制，确保数据安全。

3 结束语

3D打印技术在军队的应用是一个长期的过程，我们应借助民用领域强大的技术优势，深化军民融合，不断将民用领域先进的设备和技术与军队的应用实际相结合，充分发挥3D打印技术的应用潜力，使其成为增强战斗力、提升保障能力的一项重要技术。未来，空军将向着基地化方向发展，航材保障问题在基地化发展趋势下将日益突出，并亟待解决。适用于多机种、小批量、结构复杂、原材料价值量高的结构制造的3D打印技术或许能够在一定程度上缓解航材供应紧张的状况。从技术基础上来说，我国是世界上较早掌握激光成形钛合金大型构件制造、应用的国家，空军基地完全可以将这些技术应用到不同机型的综合保障研究上，通过建立综合保障中心革新基地保障模式。3D打印技术未来将向着纳米层级发展，通过探索不同原材料的无限组合，打印出拥有现存物品无法实现的各种特性，进而推进武器装备性能的新一轮跃升。

1 利普森, 库曼. 3D打印∶ 从想象到现实[M]. 北京∶ 中信出版社, 2013

2 姜永久, 张薇, 高家森. 3D打印带来军队饮食保障新变革[J]. 全域瞭望, 2015, (3)∶ 18～19

3 潘晓春, 徐磊. 3D打印技术在仓库装备科研中的应用[J].仓储管理与技术, 2013, (6)∶ 31～32

4 郭亚东. 3D打印技术对未来战场保障的影响及对我海军后勤的启示[J]. 海军后勤科技, 2013, (2)∶ 1～6

Application of 3D Printing Technology in Air Force Station

Liu Yujie Qin Jinghui
( Air Force Logistics College, Xuzhou 221000 )

To promote the application of 3D Printing technology in flight support of Air Force Station, based on the characteristics of 3D Printing, the application fields and problems of 3D printing involving living, equipment, supplies and health security in Air Force Station were studied. Some suggestions for the application of 3D Printing in Air Force Station were proposed.

3D Printing, Air Force Station, Flight support

1009-8119（2017）01（1）-0060-03