增材制造技術（3D打印）對裝備保障的應用啟示

劉增勇 吳京朋 關曉婷

摘 要：介紹增材制造技術（3D打印）的基本概念，梳理該技術在航空裝備、汽車裝備、醫(yī)療裝備和軍事裝備等領域的實際應用，闡述對裝備保障工作的啟示。

關鍵詞：增材制造 3D打印 裝備保障

0前言

2021年3月，我國再次啟動三星堆遺址考古挖掘工作，其中，在3號坑內(nèi)挖掘出迄今為止出土規(guī)模最大的一件青銅器。為了保護好這件青銅器，考古專家運用增材制造技術，給這件文物穿上了“防護服”。

文物防護只是增材制造技術應用的一個方面。截止目前，增材制造技術已在航空裝備、汽車裝備、醫(yī)療裝備等領域展示了重大應用價值和前景。在“2021年增材制造創(chuàng)新發(fā)展論壇”上，專家就表示，我國增材制造技術已經(jīng)從萌芽培育邁入了應用推廣的新階段。未來，隨著增材制造技術的快速發(fā)展，也必將能成為賦能軍事裝備保障的重要手段。

1基本概述

增材制造技術，也稱為3D打印，是一種非常高效快速的成型技術，在3D打印中，以數(shù)字模型文件為基礎，在“打印”中使用液態(tài)或粉態(tài)的金屬粉以及可塑性高的物質(zhì)等，通過層建疊加的方式進行構造[1]。具體來說，是指通過3D打印機在設計文件指令的引導下，先噴出粉末或液態(tài)物質(zhì)材料，使其形成一平面薄層。第一平面薄層固化后，在第一平面薄層基礎上形成第二平面薄層。第二平面薄層固化后，在第二平面薄層基礎上形成第三平面薄層。循環(huán)往復，最終將多平面薄層累積成一個三維物體。

2增材制造技術（3D打印）的實際應用

2.1航空裝備領域

2017年5月，我國自主研發(fā)生產(chǎn)的大型噴氣式C919客機首飛成功，其中就搭載了28件增材制造的鈦合金艙門零件。2020年5月，我國新一代載人飛船試驗船返回艙，其中超大尺寸整體鈦框架就全部采用3D打印工藝制造。2020年7月，長征五號運載火箭搭載“天問一號”火星探測器成功點火起飛，其中的級間解鎖裝置保護板就是通過采用連續(xù)增材制造系統(tǒng)HT1001P加工而成。

2.2汽車裝備領域

據(jù)統(tǒng)計，德國BMW MOtOren Werke AG集團使用3D打印超過27年，期間生產(chǎn)出數(shù)百萬個汽車零部件，儼然已成為增材制造領域的深度玩家。其他跨國汽車公司也越來越多地使用3D打印技術。法國雷諾公司將增材制造作為其新“Re-FactOry”的重中之重。德國保時捷公司與通快機床制造商和MAHLE汽車零部件公司合作，為其911跑車發(fā)動機提供活塞3D打印。另外，德國FraunhOfer協(xié)會的研究人員與美國Fiat Chrysler AutOmObiles汽車公司合作，為其跑車開發(fā)懸架零部件的3D打印。

2.3醫(yī)療裝備領域

自2020年新冠疫情爆發(fā)以來，3D打印為快速生產(chǎn)防疫物資也發(fā)揮了巨大作用，美國CarbOn工廠每周生產(chǎn)超過100萬支的鼻咽拭子和1.8萬個的防護面罩;FOrmlabs公司每天生產(chǎn)的檢測拭子多達15萬支，MKFG公司的生產(chǎn)規(guī)模也擴大到了每天10萬只;英國PhOtOcentric公司采用光固化技術，對呼吸器兼容閥門進行3D打印，每周生產(chǎn)量達4萬個。另外，法國巴黎醫(yī)院安裝60臺F123型3D打印機，生產(chǎn)用于應急救援的各種產(chǎn)品，其中有面罩、口罩、注射泵、插管設備等。我國南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院使用的增材制造顱骨產(chǎn)品，不僅可以保證成骨細胞的正常生長，還能確保CT、核磁共振等檢查時不受影響。

2.4軍事裝備領域

任何裝備的研發(fā)與生產(chǎn)，都需要一定的制造工藝，3D打印因受原材料、技術條件等限制，目前還難以與流水線生產(chǎn)相比較，但因其不需要固定模具，可直接由設計轉化為實物，實現(xiàn)零部件的快速打印制造，因此在軍事裝備設計，零部件制造，以及技術保障等方面得到廣泛應用，是未來軍事裝備領域技術革新的關鍵。我國作為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金制造與應用的國家，其殲-15艦載戰(zhàn)斗機、殲-16多用途戰(zhàn)斗轟炸機、殲-20隱形戰(zhàn)斗機及殲-31戰(zhàn)斗機的研發(fā)生產(chǎn)均采用了3D打印技術。

3增材制造技術（3D打印）對裝備保障的啟示

3.1質(zhì)效可靠化

國防大學軍事后勤與軍事科技裝備教研部教授李大光就曾表示在上世紀八九十年代，研發(fā)新一代戰(zhàn)斗機至少要花費10-20年時間，而借助增材制造技術，最少只需3年時間。增材制造技術還可以優(yōu)化零部件結構，從而起到減重、增加使用壽命等效果。美國F16戰(zhàn)機上使用增材制造的起落架，平均壽命是原始部件的2.5倍;F-22的鈦合金鍛件，如果采用增材制造技術可減重40%，有效載荷將大大提升。

3.2成本節(jié)約化

在進行大規(guī)模維修時，通常需要進行一段時間的貨源采購，導致維修時間、維修成本的增加[2]。我國一汽大眾采用增材制造技術生產(chǎn)的后排吹角風道系統(tǒng)，不僅將加工周期由148天縮短至7天，成本也由3.54萬元降低至3000元。同樣，該技術還可以對已經(jīng)停產(chǎn)的汽車零件進行復刻，降低了購買零部件的費用，避免了汽車行業(yè)的“壟斷”的現(xiàn)象[3]。

3.3生產(chǎn)多樣化

增材制造技術，可以采用多種材料打印一種零部件，從而達到耐腐蝕、耐磨損、高強度等特性，重量也可以很輕。還可以把金屬、陶瓷等復合在一起，具有金屬陶瓷的雙重特性。同樣也可以開發(fā)很多新的合金，按照以往的合金方法，整個冶煉過程的代價高、周期長，而增材制造技術用粉狀材料就可以解決問題，快速形成多種合金。

3.4儲備經(jīng)濟化

增材制造技術將使保障部門極大地實現(xiàn)去庫存化，推動優(yōu)化新的供應儲備效率。以往大約有30%的成本在器材倉儲環(huán)節(jié)中。節(jié)約庫存和倉儲成本，是追求器材通過增材制造來實現(xiàn)的重要推動力。減少材料浪費，減少廢舊器材，增材制造技術將從供應儲備角度為可持續(xù)發(fā)展帶來新的空間。

4結束語

盡管目前的增材制造技術（3D打印）還只是初露鋒芒，也無法達到整裝制造的技術成熟度，但可以肯定的是，隨著增材制造技術（3D打印）的日漸發(fā)展和在軍事領域的逐步應用，必將有力推動裝備保障的變革創(chuàng)新[4]。展望未來，增材制造技術（3D打印）將作為未來制造生產(chǎn)業(yè)不可或缺的手段，對裝備保障工作帶來源源不斷的推動力。

參考文獻

[1]曾慶吉.3D打印技術在汽車制造與維修領域應用研究[J].內(nèi)燃機與配件，2018.

[2]趙毓鋒.汽車維修中3D打印技術的應用研究[J].時代汽車，2018.

[3]焦可如，鑫龍.3D打印技術在汽車制造中的應用研究[J].計算機產(chǎn)品與流通，2018.

[4]楊純燕，封會娟，李慧梅，楊英杰，周慧.3D打印技術在裝備維修保障的應用及展望[J].機床與液壓，2020.