面向裝備維修的增材再制造技術

朱 勝， 柳 建,， 殷鳳良， 孟凡軍， 顧海清

(1. 裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室, 北京 100072;2. 68129部隊, 甘肅 蘭州 730058 )

增材制造技術即是時下流行的3D打印技術，亦即國內稱之為“快速成形”的一種先進制造技術，其本質原理是離散與堆積，即在計算機的輔助下，通過對實體模型進行切片處理，把三維實體的制造轉換成二維層面的堆積和沿成形方向上的不斷疊加，最終實現三維實體的制造。由于與傳統制造方法相比，增材制造技術具有節材、節能以及成形不受零件復雜程度限制等優勢，因此受到了國內外的廣泛關注。如今，增材制造技術已經在工業、生物醫療、考古等行業得到廣泛的應用[1-5]。

增材制造技術的高度柔性及快速性特點十分符合現代化戰爭中的快速精確保障要求。因此，增材制造技術在軍用制造領域的應用受到各國的高度關注。美國的F-22等戰機上許多零件的生產都采用增材制造技術，并且已經研制了用于戰場使用的高柔性現場零件制造系統[6]。我國在增材制造技術制備金屬零件方面也有深入的研究，并取得了一系列重要成果。

裝備零部件的精確保障要求不但包含裝備零部件的快速“無中生有”，也包含快速實現損傷零部件的 “壞中修好”。但是，增材制造技術在損傷裝備零部件再制造應用方面還處于初級階段。本文將對增材再制造技術在美軍及國內的應用現狀進行簡要介紹，并對目前存在的問題及其發展趨勢進行分析與展望。

1 增材再制造及其流程

增材再制造就是利用增材制造技術對裝備損傷零部件(包括戰損和正常服役中出現的損傷)進行再制造修復：首先利用三維掃描儀對損傷零件進行掃描，獲取損傷零件的數字化模型；然后對數字模型進行處理，進而生成缺損零件CAD模型，并通過與標準模型進行比對生成再制造修復模型；接下來對再制造模型進行分層路徑規劃處理，最后3D打印系統依規劃路徑對損傷零件進行再制造修復。其技術流程如圖1所示。

圖1 裝備零部件增材再制造修復流程

2 增材再制造應用現狀

近年來，3D打印產業在全球的發展進行得如火如荼；但是，3D打印再制造行業的發展還處于初級階段，根據科技行業獨立咨詢公司Wohlers Associates的分析報告，預計到2019年，3D打印行業的收入將達69億美元，其中成品生產預計將占80%，這說明增材制造技術在再制造領域的應用有限。目前，無論是國內還是國外，增材制造技術在再制造領域的應用都主要集中在軍隊裝備零部件再制造及高端產品再制造修復，即航空航天方面高附加值零件的再制造修復。

2.1 美軍應用現狀

美國軍隊一直是增材制造技術應用的先行者，也是目前世界上最大的再制造受益者。利用先進的增材制造技術對損傷裝備零部件進行再制造，代替直接更換新的零部件，不但可以節約大量的軍用裝備制造費用，而且延長了裝備的壽命，提高了裝備的維修能力。因此，增材再制造工程的研究早就引起了美國國防決策部門的重視，并將武器系統的性能升級、延壽技術和再制造技術列為目前和將來國防制造重要的研究領域[7]。自20世紀起，美國軍方就采用各種技術對B-52轟炸機、阿帕奇直升機及M1坦克等裝備進行了再制造[6，8-19]。AeroMet公司早在2000年就采用Laser Forming 增材制造技術對軍用直升機上破損的鈦合金構件進行再制造修復，再制造比直接更換新構件節省了2～6萬美元。同時，該公司還與通用電氣(GE)、勞斯萊斯(RollsRoyce)等公司合作，利用該技術對F119戰斗機的發動機風機保護罩進行再制造修復。GE公司在新加坡建立的發動機葉片維修工廠，每年用激光熔覆增材制造技術修復的發動機葉片高達上萬個，由此帶來的經濟效益相當可觀。

2001年開始，美國開始利用LENS(Laser Engineered Net Shaping)增材制造技術對在阿富汗戰場上失效的黑鷹直升機葉輪葉片進行再制造修復[6,14-16]。據報道，采用LENS技術再制造修復一個直升機發動機比采用傳統方法修復大約可以節省10余萬美元，并且由于再制造部分的材料耐磨性能優于原始材料，因此可以大大延長發動機的使用壽命。采用LENS技術再制造修復的葉輪葉片如圖2所示[19]。

圖2 LENS技術修復的黑鷹戰機葉輪上的葉片

POM公司通過與俄羅斯政府合作，于2003年起也開始應用增材再制造技術對老化的軍用飛機發動機渦輪葉片進行翻新，不過，他們采用的是DMD(Direct Metal Deposition)技術[20]。

隨著增材制造技術的不斷發展，美國軍方對其在航空航天領域的應用也更加重視。據報道，美國國防部已計劃將增材制造技術應用于太空軌道修復，助力美國防部鳳凰計劃。

陸軍裝備方面，2001年，美國阿拉巴馬陸軍軍械庫(Anniston Army Depot, ANAD)在Optomec公司的幫助下，投資300萬美元搭建了基于LENS增材再制造技術的軍械修復系統，用于艾布拉姆斯M1坦克(Abrams M1 Tank)燃氣渦輪發動機零部件的再制造修復，主要包括轉子、密封轉輪、間隔壓氣機、導向器葉片、壓氣機定子、壓氣機葉片等。系統正式投入使用后，僅第一年(2002年)就為美軍節省軍費開支630萬美元[17]。

目前，由Optomec公司搭建的被稱為“移動零件醫院”(Mobile Parts Hospital, MPH)的伴隨快速保障系統已經在阿富汗戰場上獲得應用，并成功地對機槍等武裝裝備零部件進行了快速制造和再制造修復，大幅提升了裝備快速精確保障響應速度和保障水平。

2.2 國內應用現狀

國內方面，雖然增材制造技術在中國的起步較晚，但增材制造技術在裝備零部件維修保障上的優勢一開始就受到各方面的重視。目前，國內在裝備零部件增材再制造修復的研究與應用上已經取得了一系列成就。

中科院沈陽自動化研究所快速成形實驗室與海軍航空工程學院青島分院合作，開展了金屬粉末激光成形(Metal Powder Laser Shaping, MPLS)增材制造技術研究。目前，該技術已成功應用于某主戰機種發動機渦輪導向器、艦船螺旋槳葉片的再制造修復[6,21]。沈陽的大陸激光技術有限公司采用基于激光的增材制造技術加等離子噴涂技術對煙氣輪機葉片實施再制造修復，收到較好的效果。

裝甲兵工程學院自2003年國內首家再制造領域的國家級重點實驗室——裝備再制造技術國防科技重點實驗室——成立起，就一直致力于我軍裝備零部件的再制造修復工作。該實驗室采用激光熔敷、電弧熔敷以及等離子弧熔敷增材制造技術，以及熱噴涂、電刷鍍等表面工程技術，構建了符合我軍特色的裝備零部件再制造修復技術體系。實驗室已成功地利用激光等增材制造技術對包括坦克發動機、飛機發動機葉片等在內的陸、海、空各軍種裝備零部件進行了再制造修復，產生了巨大的經濟效益和軍事效益。圖3-5為實驗室利用幾種增材再制造技術修復的零件圖[22-24]。

西北工業大學凝固技術國家重點實驗室是國內最早開展金屬材料增材制造研究的幾家單位之一。該實驗室在航空科學基金、973國家重點基礎研究項目等基金的資助下，以先進飛機和發動機所需的一些關鍵零部件為具體應用對象，系統地開展了LENS金屬材料直接成形技術研究[25]。近期，實驗室以此技術為基礎，成立了西安鉑力特激光成形技術有限公司，專門從事高性能致密金屬零件的3D打印直接制造及再制造修復工作。據報道，5719工廠日前已經正式啟動了成都增材制造產業工程技術研究中心，大力發展飛機整機維修、航空發動機葉片修復增材再制造技術。

圖3 激光熔敷再制造截斷軸凸輪

圖4 基于焊接3D打印修復的活動盤

圖5 等離子熔敷再制造的發動機排氣門

近期，合肥工業大學專門成立了三維打印與激光再制造先進技術研究中心，建設“3D打印及激光熔覆設備系統平臺”，專門從事高端3D打印制造設備研發，以及3D打印直接制造與再制造技術研究。

另外，隨著增材制造技術在國內的發展，許多公司如中航重機、南風股份、上海彩石激光科技有限公司等，都把高端工業零部件的再制造列為公司重要的發展方向。

3 存在問題與發展趨勢

3.1 增材再制造技術目前存在的問題

雖然增材制造技術已經在裝備零部件的再制造中成功應用，并取得了不錯的效果，但是，由于再制造過程十分復雜，加上增材制造技術本身還不夠成熟， 目前的增材再制造還處于初級研究階段，存在許多亟待解決的問題，導致距離戰場現場實現裝備損傷零部件快速精確再制造的要求還有一定的距離。

1) 再制造模型獲取過程復雜，效率低下。損傷零件的再制造修復過程十分復雜，其中，損傷零件數字化模型的獲取及模型重構是逆向工程問題，模型比對處理是正向設計問題，同時還包含分層以及文件格式轉換等諸多問題，通常需要三方軟件的協作才能完成。目前的軟件系統集成化、自動化程度低下，大幅度地降低了裝備損傷零部件的增材再制造響應速度。

2) 設備便攜性差。目前，激光設備存在系統復雜、結構龐大的缺陷，導致目前主流的基于激光的增材制造技術存在系統復雜、便攜性差的問題。同時，損傷零件數字化模型獲取的反求掃描設備也存在需要常規電源以及便攜性差的問題。這些因素造成野外戰場現場環境下，無法實現戰損零件的模型快速反求及快速再制造修復。

3) 技術相對單一。目前的主流增材制造技術都是以激光為熱源的打印技術。激光雖然有能量集中、成形材料廣泛等優點，但也存在系統昂貴、復雜等缺點，造成增材制造和再制造成本較高，普及比較困難。

4) 增材制造技術精度比較低。目前，增材制造技術的成形精度還比較低，無論是直接制造件還是再制造修復件，都需要進行后處理加工后才能使用。

5) 材料問題。目前用于增材制造技術直接制備金屬零件的材料種類還比較少，導致可以進行再制造修復的裝備零部件種類有限。

3.2 增材再制造技術未來發展趨勢

根據裝備損傷零部件戰場現場快速精確再制造保障要求，可以預見，未來增材再制造技術的發展將主要集中在以下方面。

1) 提高再制造軟件系統的集成度和自動化程度，以提高裝備損傷零部件增材再制造的響應速度。目前，已有公司推出正逆向混合設計軟件，向高集成度再制造軟件系統邁進了一步。另外，鑒于點云數據構建曲面模型過程繁瑣，大連海事大學已展開點云數據與零件標準CAD模型直接進行比對，生成再制造修復模型的理論研究[26]，以簡化再制造模型獲取流程，提高系統自動化水平，進而提高損傷零件的增材再制造響應速度。

2) 增材制造系統向桌面化、便攜方向發展，以適應野外戰場現場快速精確保障要求。據報道，目前，美國陸軍太空與導彈防御司令部、陸軍部隊戰略司令部未來作戰中心創新辦公室為戰場人員研發了一款質量小、價格低的3D打印機，該機可以放在作戰人員的背包中并在戰場上使用。

3) 增材再制造向技術多樣化及與其他制造技術相結合的方向發展，以解決激光3D打印設備昂貴、便攜性差等缺陷，同時解決增材制造精度不高的問題。

4) 提高增材再制造材料的多樣性和先進性，滿足裝備零部件多樣性的需求。隨著增材制造技術的深入發展和打印材料需求的不斷擴展，目前，國內的增材制造材料研發與應用日益受到關注。據報道，在2012年10月舉行的增量制造產業高端論壇暨激光燒結裝備發布會上，華曙高科與全球知名激光燒結粉末材料銷售商美國3D Link公司就激光燒結材料應用開發項目簽訂合作協議，以期開發出高性能激光燒結粉末材料。近期成立的飛而康快速制造科技有限責任公司、海源3D打印制造實驗室等單位也都把增材制造材料開發列為明確目標。

5) 充分利用網絡平臺，大力發展遠程增材再制造。據外媒報導，近期，美國陸軍研究實驗室和普渡大學開發出一種新型3D打印技術，能夠幫助部署在不同位置的士兵對裝備(如飛機、汽車)零部件進行遠程修復，提高軍事裝備效率并大幅降低維護成本[27]。目前，國內已出現專業的網絡3D打印服務平臺，但關于遠程3D打印再制造的信息還尚無報道。

4 結束語

將增材制造技術應用于裝備損傷零部件的再制造中，可以大幅節約成本，降低軍隊裝備備用件的庫存量，節省國防開支，對大幅提升損傷裝備零部件的快速精確保障響應速度、促進戰斗力的再生、改善軍隊戰備狀態具有重要的意義。隨著增材制造技術的發展與成熟，其在國防科技中的應用前景將更加廣闊，同時帶來更高的軍事效益和經濟效益。

參考文獻：

[1] 劉偉軍. 快速成型技術及應用[M].北京：機械工業出版社,2005:152-188.

[2] 馮濤, 李志剛. 快速成型與快速制模技術的最新發展：EuroMold’2003 考察報告[J].模具工業,2004(4):3-5.

[3] 鐘敏霖, 寧國慶, 劉文今. 激光熔敷快速制造金屬零件研究與進展[J].激光技術, 2002,26(5):388-391.

[4] 柴楓, 趙銥民, 李滌塵. 快速成型技術在醫學中的應用[J].口腔攝面修復學雜志,2004,5(1):63-65.

[5] 李超, 朱勝, 沈燦鐸, 等. 焊接快速成形技術的研究現狀與發展趨勢[J].中國表面工程,2009,22(3)：7-12.

[6] 張凱, 劉偉軍, 尚曉峰, 等. 快速原型技術在國防科技中的應用[J].工具技術, 2005,39(1):3-13.

[7] 蔡威,朱麗丹,王啟明. 再制造技術綜述[J].機械工程師,2009(4):100-101.

[8] 徐濱士. 再制造工程與納米表面工程[J].金屬熱處理, 2006(s1):1-8.

[9] 徐濱士.發展裝備再制造, 提升軍用裝備保障力和戰斗力[J].裝甲兵工程學院學報,2006,20(3)：1-5.

[10] Arcella F G, Abbott D H, House M A. Titanium Alloy Structures for Airframe Application by the Laser Forming Process[C]∥Eden Prairie. 41stStructures, Structural Dynamics, and Materials Conference. Altanta: the American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2000: 1-11.

[11] Arcella F G, Froes F H. Production of Titanium Aerospace Components from Powder Using Laser Forming[J]. Journal of Metals, 2000,52(5):28-30.

[12] Mear F, Yot P, Cambon M. Optomec Gets 2002 Defense Manufacturing Excellence Award[J]. Welding Design & Fabrication, 2003(4):210.

[13] Daniel D C, Caraher L C.NATO Defense Science and Technology[R]. Washingtong: National Defense Univ Washingtong DC Center for Technology and National Security Policy, 2004.

[14] Sandia National Laboratories.LABS Acconplishments[EB/OL].(2013-02-01)[2013-02-01.]http://www.sandia.gov/

news/publications/lab_accomplishments/index.html

[15] OPTOMEC. Metal Components[EB/OL].[2013-10-01].http://www.optomec.com/Additive-Manufacturing-Applications/Laser-Additive-Manufacturing

[16] Aston A. The Army’s Secret Weapon: Repair Shops in the Field[J]. Business Week online, 2002(3792):1.

[17] Excell J. War Machining[J].Engineering, 2003,292(12):37-38.

[18] Richman T. Mobile Parts Hospital:The Agile Manufacturing Cell Provides Critical Parts to Soldiers in Battle[R]. Washingtong: Army Tank-Automotive Command,2007.

[19] 張冬云, 王瑞澤, 趙建哲, 等. 激光直接制造金屬零件技術的最新進展[J].中國激光, 2010: 37(1): 19-25.

[20] Richard Grylls. Laser System Saves Damaged Military Parts from the Scrap Heap[J]. The Fabricator, 2003:33(2):42-44.

[21] 尚曉峰,劉偉軍,王天然. 激光工程化凈成形技術的研究[J].工具技術, 2004, 38(1): 22-25.

[22] 董世運, 張曉東, 徐濱士,等. 45鋼凸輪軸磨損凸輪的激光熔覆再制造[J].裝甲兵工程學院學報, 2011,25(2):85-88.

[23] 李超. 再制造快速成形材料集約化設計及成形性研究[D].北京: 裝甲兵工程學院,2010.

[24] 向永華, 徐濱士, 呂耀輝, 等. 發動機排氣門等離子熔覆再制造[J].金屬熱處理,2010,35(7):66-69.

[25] 黃衛東,李延民,馮莉萍, 等.金屬材料激光立體成形技術[J].材料工程, 2002(3): 40-43.

[26] 王文標. 基于視覺測量的快速再制造成形系統關鍵技術研究[D]. 大連: 大連海事大學,2010.

[27] 光明網.3D打印為裝備快速維修提供解決方案[EB/OL].(2013-09-25)[2013-10-01].http://tech.xinmin.cn/2013/09/25/22038690. html