基于3D打印技术的装备维修保障应用研究

2020-11-25陈方杰王成康辰龙张永锋张郑

科技与创新 2020年22期

陈方杰，王成，康辰龙，张永锋，张郑

基于3D打印技术的装备维修保障应用研究

陈方杰，王成，康辰龙，张永锋，张郑

（陆军工程大学军械士官学校，湖北武汉 430075）

针对传统的装备维修保障模式难以满足现代化军事需求的问题，对3D打印技术在装备维修保障领域的应用进行了研究。简述了3D打印的技术优势，分析了国内外运用3D打印技术解决装备维修问题的应用现状，包括在受损部件修复中、复杂结构部件制造中和战时应急保障中的应用，提出了当前制约3D打印发展的关键技术，为3D打印技术更好地应用于未来信息化环境下的装备维修保障提供了思路。

装备维修；快速保障模式；3D打印；军用装备

无论是在战争时期还是在和平年代，军用装备器械都扮演着极其重要的角色。在其使用过程中难免会出现不同程度的损伤，如果损伤装备得不到及时有效的修理，装备的使用完好性和任务完成能力就会下降，极大影响部队的战斗力[1]。未来的信息化战场也对装备维修保障能力提出了更高的要求，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，给维修保障体系的创新式发展提出更为严峻的挑战，而目前传统的装备维修模式往往存在保障效率低下和复杂零部件生产周期长等问题，将很难继续适用。3D打印技术以其不受复杂形状限制的快速制造优势，被广泛应用于小批量和复杂零部件的制造，在装备维修保障领域具有广阔的应用前景，有望成为推动装备维修保障模式创新发展的重要技术手段和支撑。

1 3D打印技术原理与优势

3D打印又称增材制造（Additive manufacturing，AM），不同于减材制造方式，它是通过复层叠加方式来制造零件的，首先利用计算的程序对制件的模型进行分层处理，然后控制机器逐层地堆积切片材料，周而复始，将切片薄层堆积成体块件，获得三维实体零件[2]。目前，比较常见的3D打印技术主要有激光选区烧结（SLS）、激光选区熔融（SLM）、熔融沉积成型（FDM）和立体光固化（SLA）等。

将3D打印技术应用于装备维修保障领域，与传统保障模式相比，具有以下突出优点：①通过实体模型即能打印出零件，无需配备或囤积大量备份零部件；②不受复杂形状的限制，解决了传统保障模式制造困难、周期长等问题；③精确快速保障，能为战时应急保障节省大量人力物力和时间成本。

2 3D打印技术在装备维修保障中的应用现状

2.1 在装备受损部件修复中的应用

针对装备使用过程中损伤的零部件，可根据完整的零件模型和受损零件实体，反向建立损伤处的三维修补模型，再利用3D打印技术实现零件的快速成形制造，恢复其形状尺寸及功能特性。

21世纪初期，美国将3D打印激光熔覆沉积技术（Laser Engineered Net Shaping，LENS）应用于零部件修复。他们投入到阿富汗战场的直升机因发动机叶片受损而发生故障，在基于3D数据建模的基础上采用LENS技术成功地对其进行了修复，并且在使用中发现发动机叶片的各项性能获得显著提高[3]。随着LENS技术在装备受损修复领域中的进一步发展，美国建立了基于LENS技术的军械装备修复系统，为快速恢复装备的战斗力提供了有效保障，比如成功维修某型主战坦克的燃气涡轮[4]，快速修复AV-8式鹞式战机的鼻锥受损部位[5]，均为其备战和重返战场节省了大量时间。但由于装备零部件还存在种类、材料、尺寸等方面上的差异，单独的某一种3D打印方式很难满足信息化战争条件下复杂多样的装备维修保障模式，因此美国海军实施的快速制造与维修（RMR）计划配置了多种3D打印系统，比如SLS、SLM、FDM和电子束熔融（EBM）技术，以满足各种老旧零件和工装修复的需求[4]。

除美国外，国外许多其他国家也发现了3D打印技术在受损部件修复方面的优越性，开展了相应的工作。2015年，德国3D打印机制造商InssTek为韩国空军完成了两台F-15K战机上发动机护罩与空气密封件的修复工作，他们采用的直接金属模具制造工艺（Direct metal tooling，DMT）不仅能大大缩短了维修时间，还能保障质量的可靠性。2016年，以色列空军维修单位为了快速恢复退役战斗机的相关功能，利用3D打印技术生产替换掉损坏的部件，将制造周期由几个月缩减至短短几个小时[6]。

在国内，3D打印系统也已走进三军保障体系，比如2015年中国海军某舰队利用战舰尾部移动方舱里配备的3D打印系统，结合储存的备件三维数据模型，对突发意外损伤的传动齿轮进行了快速处理和修复，有效解决了及时进港停泊的问题。

2.2 在复杂结构部件制造中的应用

当装备零部件的受损程度过大，无法通过修补的方式恢复其功能性时，通常需要更换备件。然而由于装备的零部件种类繁多，难免会出现保障不足而导致缺少备件的情况。3D打印技术的制造过程无需开模，根据零件的三维模型便能制造出实体零件，能大大提升装备维修保障效率，具有很大的应用潜力。国内外已认知到该技术的特殊优势，并相继开展了复杂结构零部件制造的应用探索。

美国GE公司已将金属增材制造技术应用于航空发动机零部件的制造中，他们于2013年对Morris公司和AVIO公司进行了收购，并吸收了先进设备与制造经验，成型出具有复杂内置流道的TiAl合金发动机叶片和燃油喷嘴等，如图1所示[7]。美国某空军为了实现受损零部件的快速维修，在基地配备3D打印设备，解决整流罩、天线等部件保障不足的问题，取得了较好的效果。英国雷尼绍公司利用自制的AM250激光熔融金属快速成型系统，设计制造出了具有复杂精细流道结构的航空用冷却部件，比传统方法节省了几倍的时间[8]。GE公司3D打印复杂结构件如图1所示。

在国内，西北工业大学于1995年率先提出了激光立体成形的概念，2012年采用自主设计的激光3D打印机成型出了C919飞机的中央翼缘条制件，零件材料为钛合金材料，其综合性能优异，远超过检测标准[9]。华中科技大学首先开拓了SLM技术在航天领域的应用，制造出各种大尺寸复杂结构样件[7]。

综合以上国内外的应用实例我们可以看出，目前的3D打印复杂零部件制造技术主要集中在航空航天领域的应用上，由此可以推断，3D打印技术也完全能胜任其他类型装备零部件的制造与维修。

2.3 在战时应急保障中的应用

随着装备系统的日益复杂，维修保障的规模也越来越庞大，这不仅会耗费大量的人力、物力，而且在战时这种极端环境下还很难确保备件能及时供应。借助3D打印技术快速制造备件和维修工具，可以减小保障规模，极大提升部队的抢修能力。国内外均针对战场环境下使用的3D打印快速制造系统进行了有益的探索。

美军快速装备部队（REF）在移动零件医院建设的经验上，引入3D打印机和机械自动化设备，研制出首个移动远征实验室（ELM），并于2012-07完成交付。2013-01，美军又配备了第二个移动远征实验室，并用于战场使用[10]。近年来，美军将3D打印技术投入到陆战、军舰和太空探索，实现海、陆、空的全领域覆盖。

我军在“补给行动—2015”演练中首次将3D打印技术运用于后勤装备的维修使用，由于损坏的联轴器并不属于易损部件，在演练前并未配有相应的备件，通过3D打印对联轴器进行现场制作，高效地解决了这一窘境，大大提升抢修效率[11]。为了更好地将3D打印技术应用于战时应急保障，西安交通大学、华中科技大学和空军装备部联合研发了专门用于战场环境使用的3D打印维修保障系统，如图2所示，采取基于伴随保障的抢修模式，能及时处理装备出现的故障和损坏[12]。

图2 战场环境使用的3D打印维修保障系统

3 技术难点及研究方向

3.1 材料开发

目前，金属材料的3D打印技术已日趋成熟，但随着现代化技术的不断发展，军事应用对装备材料的使用温度要求越来越高，金属材料将很难满足某些极端使用条件下的性能要求，陶瓷材料以其耐高温、高耐磨性和密度小的优势，有望成为未来装备材料的发展趋势，因此，3D打印复杂形状陶瓷零件成为当前学者们研究的热点。3D打印陶瓷的研究工作主要体现在陶瓷粉末的激光成型、陶瓷膏体的挤出成型和陶瓷浆料的光固化成型这三种工艺方式上，然而现有的3D打印陶瓷制品普遍存在性能差、精度低的问题，如何提高陶瓷制品的使用性能成为亟需解决的问题。可以预见，这一难题的有效解决将大大提高3D打印技术在装备维修中的应用范围。

3.2 系统集成化

为了应对各类情形下的装备维修，3D打印系统除了需要配备零部件数据库软件和三维模型反求系统外，还需要配备成型不同材料的3D打印机以及后处理设备，这将使得设施系统复杂、结构庞大、机动性能不足，因此开发集成化的3D打印系统，提高设备便携性，对于实现未来装备维修保障更加快速精确的需求至关重要。

4 结束语

3D打印技术因具有无需模具、不受复杂形状限制、制造周期短、材料利用率高等优点，广泛应用于各大领域。针对装备维修保障领域，国内外已进行了大量有益的探索，取得了广泛的应用成果，然而受到成型材料、系统集成化程度等方面的制约，限制了3D打印技术在未来现代化装备维修保障领域的进一步发展与应用，还需要积极解决和探索3D打印技术在该领域的制约因素，提高我军的装备维修保障水平。

［1］纪培彬，李慧梅，杨明，等. 3D打印技术在车辆装备战场抢修中的应用［J］.军事交通学院学报，2017，19（10）：29-32.

［2］何建斌，许燕，周建平，等.金属增材制造技术的研究进展［J］.机床与液压，2020，48（2）：171-175.

［3］马振书，陈广森，马东玺，等.面向装备应急保障的金属增材制造技术［J］.兵器材料科学与工程，2016，39（6）：119-124.

［4］郭朝邦，胡丽荣，胡冬冬，等.3D打印技术及其军事应用发展动态［J］.战术导弹技术，2013（6）：1-4，9.

［5］郭继周，吴集，邓启文.3D打印技术对装备维修保障的影响与对策［J］.装备学院学报，2016，27（2）：22-25.

［6］訾飞跃，李坡，张志雄.3D打印技术与装备快速维修保障［J］.兵器材料科学与工程，2018，41（4）：106-110.

［7］黄卫东. 材料3D打印技术的研究进展［J］.新型工业化，2016，6（3）：53-70.

［8］金大元.3D打印技术及其在军事领域的应用［J］.新技术新工艺，2015（4）：9-12，13.

［9］鲍飞，陈善忠，韩韡，等.金属零部件制造的3D打印技术现状及发展趋势［J］.新材料产业，2018（5）：53-55.

［10］祁萌，李晓红，胡晓睿，等.增材制造技术在国外国防领域的发展现状与趋势［J］.国防制造技术，2013（5）：12-16.

［11］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.

［12］张连重，李涤尘，崔滨，等.战场环境3D打印维修保障系统——装备快速保障利器［J］.现代军事，2017（4）： 110-112.