3D打印技術對裝備維修保障的影響與對策

郭繼周，　吳　集，　鄧啟文

(國防科技大學 國防科技與武器裝備發展戰略研究中心， 湖南 長沙 410073)

?

3D打印技術對裝備維修保障的影響與對策

郭繼周，吳集，鄧啟文

(國防科技大學 國防科技與武器裝備發展戰略研究中心， 湖南 長沙 410073)

摘要隨著3D打印技術的迅速發展和打印材料種類不斷增多，3D打印在裝備維修保障領域已呈現出良好的應用前景。針對3D打印技術的快速發展，科學分析了3D打印技術為信息化戰爭裝備維修保障帶來的發展機遇，系統研究了3D打印技術發展對信息化戰爭裝備維修保障的影響，提出了推進3D打印技術在裝備維修保障領域應用的對策建議。

關鍵詞3D打印技術；信息化戰爭；裝備維修保障

近年來，3D打印技術獲得迅速發展，受到世界各國的廣泛關注，美國科學家將3D打印產業列為“美國十大增長最快的工業”之一，有的甚至期望3D打印這種神奇的技術能帶來“第三次工業革命”[1]。隨著3D打印技術在武器裝備設計、制造和使用保障等領域的廣泛應用，可以預見，在信息化戰爭裝備維修保障領域，3D打印技術將具有廣泛的應用前景，應用3D打印技術對損傷部件進行修復和快速打印維修備件，將有力推動裝備維修保障的變革創新。研究3D打印技術對信息化戰爭裝備維修保障的影響，提出利用3D打印技術的措施建議，將為提升信息化條件下裝備維修保障能力和推動裝備維修保障變革創新提供重要技術手段和支撐。

13D打印技術帶來的機遇

信息化戰爭的特點使得裝備維修保障環境更加突變、保障任務更加繁重、保障需求更為多樣和備件消耗難以預測，給維修保障狀態轉換和快速機動、維修保障體系創新發展、定制化保障和保障資源優化配置提出嚴峻挑戰。3D打印技術的迅速發展與廣泛應用，為裝備維修保障提供了難得的發展機遇。

1) 3D打印的適應性，可顯著降低裝備保障力量的專業化門檻，為實現按需保障提供重要技術手段。未來信息化戰爭將是陸、海、空、天、電等部隊的一體化聯合作戰，裝備維修器材、保障設備、保障技術、保障人員等保障要素多元化趨勢更加明顯，與參戰部隊類型多樣相適應，戰場裝備保障力量必然多元構成，利用3D打印技術，根據任務需要，按照打印需求進行保障，可大量減少生產和技術保障人員數量，降低保障力量的專業化門檻。美軍在阿富汗戰場上曾部署了3套3D打印設備，每套3D打印設備采用國際標準集裝箱包裝，可通過空運或公路運輸方式直接投送到前方戰場，只需要2名操作人員就可完成單兵防護裝備和武器零部件的現場生產[2-3]。

2) 3D打印的便捷性及材料的可攜行性，能夠有效緩解保障需求多樣和備件攜行不便的困難，為實現抵前跟隨保障提供重要技術手段。信息化裝備系統復雜，零部件多，任何一個零部件出問題，都可能影響裝備效能發揮和功能失效。信息化戰爭節奏加快、戰場破壞性增大等特點加劇了戰場維修保障需求，提高了備件器材消耗速度，使裝備維修保障備件器材供應更加困難，任務更為繁重，傳統的戰場搶修、拼修在得不到有效備件保障情況下，很難滿足維修保障需求。3D打印機攜行便捷，打印材料易于攜帶和臨時就近采購，通過抵前和跟隨保障，能夠盡量滿足保障需求，提高維修保障效率。美軍2003年部署的“零件野戰醫院”系統，采用激光快速成形技術生產備件，不到2 a時間就生產了1萬多新備件，很好地滿足了美軍海外任務的執行。

3) 3D打印的快速性，可顯著降低保障資源準備時間和后送時間，為實現即時保障提供重要技術手段。信息化戰爭作戰行動迅速，交戰雙方力求充分發揮各自信息技術優勢，在最短時間內，以最小代價速戰速決，這種快速作戰模式要求裝備保障必須快速、及時、高效。3D打印速度快，能夠實現“需要即獲取，損傷即修復”的即時保障。3D打印已經具備快速打印和大尺寸部件打印的能力。目前，美國用最先進的3D打印機，1 h就能夠制造出總質量約18 kg的武器，而且能夠打印出長約為5.8 m、寬與高約為1.2 m的物品，中國也可打印長約4 m、寬與高約為2 m的部件[4]。3D打印機能夠分散制造，通過電子制圖、遠程數據傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術，可快速把部件的電子模型圖變成實物，大大縮短保障時間。根據實際應用情況來看，使用相同數量的耗材制造零件，3D打印機的生產效率是傳統方法的3倍[5]。

4) 3D打印的定制化功能，可為實現新作戰空域的伴隨保障提供重要技術手段。信息化戰場多維化、立體化擴大了裝備維修保障空間，從傳統的陸地、海洋、空中已擴展至臨近空間和太空等空域，要適應這種新特點，就必須發展相應維度的裝備維修保障手段。3D打印技術能夠實現定制化保障和無備件保障，通過在維修保障方倉配備3D打印機，能夠有效解決空間站、宇宙飛船和遠洋艦船等作戰空域面臨的伴隨保障難題，為解決戰場多維、保障點多和散的問題提供有效的保障手段。美國國家研究委員會2014年7月18日發布《太空3D打印》報告認為，3D打印技術能夠為航天任務帶來積極幫助，如在軌制造替換零件，不必頻繁向太空運送備件或替換零件，減少發射需求；太空3D打印可以削減原料成本，減小有效載荷尺寸[6]。美國海軍設想未來將海上補給艦改造為大型3D打印船，可根據遠洋艦船保障需要進行實時生產制造，使制造過程與運輸過程同步，成為為海軍艦隊提供作戰區域內備件保障的海上浮動工廠。

23D打印技術對信息化戰爭裝備保障產生的影響

未來信息化戰場，對裝備維修保障能力提出了更高的要求，將面臨戰場搶修、備件快速制造、部件可靠性維修性再設計、維修保障模式創新、修理預案設置等諸多維修保障問題。從長遠發展和應用看，3D打印技術在裝備維修領域具有很好的應用前景，能夠為信息化戰爭裝備維修保障提供重要技術手段。

1) 提升裝備快速維修能力。3D打印具有材料制備、零備件一體化特點，可現場加工、現場成型、快速替換，與傳統維修需要后送加工、戰場前遞相比，節奏大為縮短，維修更加快速，還具有前所未有的制造柔性。一是3D打印可數字化制造，大幅提升了維修保障效率。傳統的部件和備件制造要依靠模具，工序耗時長，利用3D打印技術，可實現“一個人就是一家工廠”，只要數小時，就可以形成修改后的數字化“模具”三維數據，并迅速投入生產，從而大大提升裝備維修保障效率。二是可針對裝備上無法拆卸的部件進行原位快速修復。在故障部件能夠局部可觸的情況下，可用3D打印快速修復故障部位。美國的AV-8鷂式戰機在起飛過程中發生故障，硬著陸時戰機鼻錐輕微受損，工作人員采用3D數字數據和增值材料技術對其進行原位修復，大大節省了維修成本和時間[7]。三是可快速增材再制造修復損傷零部件。針對裝備使用過程中損傷的零部件，利用3D打印技術，建立損傷部位的再制造模型，可實現零件的快速增材再制造成形，恢復其形狀尺寸及理化性能，甚至使零部件性能在恢復后得到提升[8]。

2) 輔助裝備維修性設計。3D打印技術能夠快速根據零部件設計圖打印出零件模型，無需進行模具開發，生產工藝簡單，可推廣應用于裝備維修性設計。一是在裝備設計階段，可通過3D打印技術快速生成裝備模型，對裝備維修性中的可達性、拆解性等進行驗證。二是3D打印可以實現任意復雜形狀零件的“自由制造”，產品的結構復雜程度對工藝影響不大，可以解決過去傳統加工方式難以制造的零件成形，從而改進結構設計，提升裝備的維修性。三是根據部件可靠性、維修性指標，可以設計一些戰損替代部件，適當降低備件指標性能盡可能滿足戰場基本需求。根據這個修理理念，廠家可設計出專門供戰場臨時替換的替代備件三維數學模型。

3) 用于戰時快速制造備件和維修工具。隨著裝備系統日益復雜，導致裝備零部件種類多、數量大，而且損傷類型多樣，無法及時供應備件和維修工具，3D打印可以快速實現備件和工具制造，滿足戰損裝備應急搶修需求。一是可快速制造戰時裝備備件。戰時，技術保障人員可隨時利用儲存的部件三維數字圖像，快速打印出備件，為戰損裝備應急搶修提供有效的解決方案。二是可快速生產戰時維修工具設備。利用3D打印技術，一線維修人員可根據預先準備的數字化圖紙，現場打印維修所需的維修工具或設備，必要時還可由后方設計人員根據前線維修需求臨時設計新的維修工具和設備，再利用前線部署的3D打印機制造定制的維修工具。美國航天局正積極探索在太空任務中使用3D打印技術，為宇航員打印所需工具和零備件[5]。

4) 推動裝備維修保障模式創新發展。3D打印技術是實現靠前維修、戰損即維修的重要技術手段，在伴隨保障、靠前保障和裝備巡修方面越來越體現其優勢。一是使靠前維修成為裝備維修保障的重要手段。3D打印技術的發展與應用，使裝備維修保障機構能最大限度地靠近作戰地域進行配置，及時為一線作戰部隊提供其所需要的各種維修服務，確保部隊具有持久的戰斗力。二是使伴隨保障成為新作戰空域維修保障的主要手段。信息化戰爭條件下，未來作戰范圍更加廣闊，作戰空間更加多樣，太空作戰和遠洋作戰等新的作戰樣式將給部隊裝備維修保障帶來更大困難，通過配備3D打印設備進行伴隨保障，能夠突破空間與地域的限制，更好地解決臨時搶修中備件“帶的用不上，用的沒帶上”等突出問題。三是使裝備巡修成為提升部隊裝備戰備完好的有效手段。目前，部隊裝備巡修工作量大、效率低，每次巡修只能針對某幾種裝備，發揮作用有限，如果部隊開展巡修時能夠配備3D打印機和打印材料，既能滿足部隊維修需要，又能增加維修的適應范圍，從而大大提高裝備巡修效率。

5) 推動裝備維修方案的科學設置。在裝備維修保障體系中，裝備修理預案的設定對裝備維修保障能力提升具有重大影響，利用3D打印技術，裝備生產設計單位可根據部件可靠性、維修性和保障性等指標，預先為裝備和部件設計好3D打印修理預案。一是對部件按修理等級進行分類，研究確定哪些是關鍵部件，確定部件損傷概率、部件修理響應時間、部件打印時間、部件材料特性和部件可拆卸性等指標，并按照這些特點對可3D打印的關鍵零部件進行分類。二是設置部件的修理手段，修理手段有很多種，如直接更換備件、3D打印快速增材再制造成形、3D打印原位修復、拼修等。三是設置多級修理預案，根據戰場情況、設計情況和使用情況，把3D打印修理技術手段與故障類別對應起來，根據戰場的緊急程度，設置多級修理預案，提高裝備維修效率。

3推進3D打印技術應用于裝備維修保障的思考

著眼于維修保障能力的快速提升和裝備維修保障體系的深刻變革，為不斷縮短我國與軍事強國維修保障能力差距，應在國家和軍隊數字制造發展計劃框架下，充分把握3D打印技術發展在裝備維修保障領域的應用前景，進行以下思考。

1) 理清軍事需求。3D打印技術發展和應用的軍事需求是指導我軍3D打印技術廣泛應用于裝備維修保障領域的重要前提。在總體需求方面，明確3D打印技術是軍隊裝備維修保障的重要技術手段，將成為部隊戰斗力的倍增器，對信息化戰爭裝備維修保障是一種顛覆性的創新，要找準3D打印技術在裝備維修保障領域應用的方向和關鍵技術突破點；在作戰任務需求方面，從裝備維修保障任務著手，確定3D打印設備的配備需求，打印材料的采購需求，零部件三維數字模型需求；在技術發展需求方面，從基于互聯網與開源思想的數字化制造技術發展視角，確定我軍3D打印技術、材料技術、軟件研發技術的發展重點。

2) 明確發展目標。依據3D打印技術國內外發展現狀和我國3D打印技術在維修保障領域應用前景與需求，明確近遠期目標。近期目標(2015-2020年)是發展金屬成形、非金屬成形等3D打印技術，加快推進3D打印由快速原型向快速模具、快速零件、快速工具方向發展，進一步提升3D打印精度和速度，降低打印成本，研發更多打印材料，提高3D打印在裝備維修保障中的修理比重。遠期目標(2020-2030年)是發展智能結構和生物材料成形等3D打印技術，重點突破陶瓷材料、生物活性材料3D打印，加快推進3D打印由快速原型制造到產品開發和批量制造，初步具備向太空配備3D打印維修方倉的能力和就地取材進行零部件3D打印的能力。

3) 制定技術發展路線。廣泛開展機械制造、自動控制、計算機和材料科學等學科研究，加強CAD/CAM技術、數據處理技術、材料技術、激光技術和計算機軟件技術等技術的研究與應用；加強3D成形工藝的基礎技術、過程控制、過程建模與分析研究；開展數字化設計與分析、復雜結構功能件的3D打印制造、生物增材制造、超精密增材制造等3D打印前沿性技術研究；繼續發展基于高能束的立體光刻造型工藝技術、選擇性激光燒結工藝技術和薄形材料選擇性切割技術、基于微滴噴擠的噴射快速成形技術、選擇性熔融堆積技術等；大力發展3D打印精度控制技術、高效制造技術、復合材料增材制造技術等技術。

4) 實施舉措建議。一是加強組織管理，為3D打印技術發展與應用創造政策支撐條件。從國家層面重視對3D打印技術發展的規劃設計，做到統一發展規劃、統一資源配置、統一技術體制、統一基礎設施建設，確保3D打印技術發展與應用的科學實施，防止規劃亂象，標準不一。二是開展基礎研究和技術標準規范研究，為3D打印技術發展與在裝備維修保障領域的應用提供基礎支撐。在國家和軍隊數字制造發展計劃框架下，加強制造原理、方法、工藝、材料的研究創新，研發出更多可供3D打印的材料，進一步提高3D打印的成形精度與打印速度；推動技術標準規范軍民一體化，研究材料性能標準、軟件接口標準、制造質量標準、制造工藝規范和元器件性能標準等，加快建立3D打印技術在維修保障領域應用的標準體系。三是加強3D打印材料和軟件技術研發，滿足更多零備件打印需求。3D打印材料與軟件技術的研發和突破是3D打印技術推廣應用的基礎，也是滿足備件打印和部件修復再制造的根本保證，要加強陶瓷及復合材料、智能材料與結構、生物材料與活性器官再造等材料的研制，形成完備的打印材料體系；要推進我國數字化、智能化水平，加強3D打印軟件設計技術研發。

4結 束 語

3D打印技術之所以能引起全球高度關注，是因為它確實是一項顛覆性的創新技術，很可能帶動新一輪工業革命。3D打印技術已經在武器裝備設計、制造和使用保障等領域開展了廣泛應用，在未來的信息化戰爭裝備維修保障領域，必將發揮舉足輕重的作用。要著眼我軍裝備維修保障需求，加強組織管理，深入廣泛開展基礎研究和技術標準規范研究，明確3D打印技術發展目標，制定3D打印技術發展路線，為提升信息化條件下裝備維修保障能力和推動裝備維修保障變革創新提供重要技術手段和理論支撐。

參考文獻(References)

[1]黃健，姜山.3D打印技術將掀起“第三次工業革命”[J].新材料產業，2013 (1)：62-67.

[2]鄧啟文，陳強，郭繼周，等.3D打印技術對武器裝備發展的影響[J].國防科技，2014，34(4)：63-66.

[3]宋立波，郭亞東.3D打印技術在未來戰場保障中的應用及影響[J].外國軍事學術，2013(6)：74-76.

[4]3D打印大量運用于關鍵軍事領域[N/OL].文匯報，2013-08-08[2013-08-08].http://news.xinhuanet.com/world/2013-08/08/c_125134388.htm.

[5]王軍.3D打?。捍虺鲅b備保障新天地[N/OL].中國國防報,2013-07-08[2013-07-09].http://www.3ddayin.net/zx/2508.html.

[6]程紹馳.美國國家研究委員會發布報告建議充分重視太空3D打印[J].防務視點，2014 (10)：26-27.

[7]海軍飛機硬著陸3D打印技術幫其修復[N/OL].科技日報，2014-09-05[2014-09-05].http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2014-09/05/content_276165.htm?div=-1.

[8]徐濱士，董世運，朱勝，等.再制造成形技術發展及展望[J].機械工程學報，2012，48(15)：96-105.

(編輯：田麗韞)

Influence of 3D Printing Technology on Equipment Maintenance Support and Relevant Countermeasures

GUO Jizhou，WU Ji，DENG Qiwen

(Center for Defense Science and Technology Strategy, National University of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China)

AbstractWith fast development of 3D printing technologies and increasing of printing materials, 3D printing has shown good application prospect in equipment maintenance field. Aiming at the rapid development of 3D printing technologies, the paper scientifically researches on the opportunities the 3D technology has offered for equipment maintenance support of information-based warfare, systematically studies on the influence of such technology on the equipment maintenance support of information-based warfare and brings out some countermeasures and suggestions on how to facilitate the applications of 3D printing technology in equipment maintenance support.

Keywords3D printing technology； information-based warfare； equipment maintenance support

文獻標志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.005

文章編號2095-3828(2016)02-0022-04

中圖分類號E919

作者簡介郭繼周(1975-)，男，助理研究員，博士，主要研究方向為科技發展戰略、裝備論證。jzguo@nudt.edu.cn

基金項目國家社會科學基金資助項目(13CGL162)

收稿日期2015-05-20