3D打印技術在裝備制造及維修保障領域的應用研究

陳振濤 張明悅 郝龍飛 韓茂棟 趙海旭

摘 要：近年來3D打印技術發展迅速，在成型單件小批量、結構復雜的零件上顯示出獨特優勢。3D打印技術在武器裝備 領域的成功實踐，為戰場裝備快速維修保障提供技術支撐。針對3D打印在軍事領域的應用現狀，分析目前戰場裝備維 修存在的問題以及3D打印應用于戰場裝備快速維修的軍事需求。結合3D打印工藝特點及戰場搶修及時性的要求，闡 述3D打印應用于裝備快速維修的關鍵技術，為3D打印技術應用于戰場裝備快速維修保障提供新思路。

關鍵詞：3D打印技術;裝備維修;

3D打印技術又稱增材制造技術，是制造業領域一 門新興技術，近年來獲得了迅速發展。根據沃勒斯 2015 年度報告（Wohlers Report 2015）顯示，在過去 26 年里，全球增材制造所有產品和服務收入的年復合增長率高達27.3%，2014年增長率達35.2% ，2015年全 球收入總額達51.65億美元，且每年以兩位數的速度增 長。目前，3D 打印已廣泛應用于航空航天、汽車、建筑、醫療、武器裝備等領域，尤其在個性化定制和快速 生產領域顯示出巨大潛力。

信息化戰爭條件下，武器裝備系統結構日益復雜，裝備的快速維修保障日益成為影響部隊作戰能力的重要因素 。傳統的戰場裝備維修保障方式很難適應快節奏的高技術戰爭。信息化主導下的高技術戰爭，為3D打印技術在武器裝備維修的應用提供了良好契機， 美軍在第3次“抵消戰略”中明確將其列為重要發展方向。2016年美國國防部發布《增材制造路線圖》，該路 線圖由美國陸海空三軍和后勤局全程參與，主要面向 維修與保障、部署與遠征、新部件/系統 3 個內容。日益成熟的3D打印技術將給戰場裝備維修保障帶來革命性的變化 。

在裝備制造和保障中的應用現狀

在航空航天、汽車、建筑、醫療等領域積極引進3D 打印技術，尤其是軍事領域，使武器裝備研制周期、加 工時間明顯縮短、材料使用率顯著提高。 我國西北工業大學利用激光立體成形技術制造 C919 的中央翼緣條，最大制造尺寸達 2.83 m，最大變形量<1 mm，填補了我國無法制作大型鈦合金結構件 的空白。北京航空航天大學利用激光 快速成形技術制造的鈦合金主承力構件加強框，使我 國成為唯一掌握3D打印技術制造飛機大型主承力構 件且裝機工程應用的國家， 美國國家航空航天局（NASA）將激光燒結技術制 造的零部件成功應用于 L-2X 火箭發動機上，這種形狀復雜、小體積零件的制造顯示了3D打印區別于傳統 加工技術的獨特優勢。美國通用電氣（GE）運用SLM將原本18個零件組成的 Leap-X 發動機離心式燃油噴嘴一體化成型為 1 個鎳 鈷合金3D打印零件，省去繁雜的組裝過程，其質量減輕25%，且耐用性提高了5倍。

2013 年歐洲宇航防務集團（EADS）通過結構優 化，取代鑄鋼零件，利用激光燒結鈦合金制造空客 A320 機艙鉸鏈支架，節約材料達 75%。2016 年，法國Thales Alenia宇航公司與Poly Shape公司合作 利用粉末床激光熔融技術為韓國制造通信衛星支撐結 構件，3D打印的AlSi7Mg合金支撐結構件比通 常使用的鋁合金零件更輕，質量減輕 22%，成本節約 30%，生產周期縮短1～2個月。 2013 年，美國 Solid Concept 公司以經典的 M1911 手槍為原型，利用激光燒結技術打造了世界上第1把2013年，一艘利用增材制造技術制作的海軍醫院 船模型（T-AH20）在美國海軍水面作戰中心（NSWC） 誕生，該船用于測量風力和氣流。由于使用3D打印技 術，這艘結構復雜的船模得以免去裝配過程，從而大大 縮短了加工時間，德國InssTek公司使 用Grand Teton 3D打印機，利用專有的DMT 技術為韓國空軍成功完成了 F-15K 戰斗機鈦合金發動機護罩 和鈷合金空氣密封件的修復工作，該方法制造的零件 加工時間短，完全滿足安全性、可靠性等使用要求。 2016 年，以色列空軍維修單位（AMU）利用 3D 打印技 術，制造強度相當于鋁的塑料聚合物零部件修復老舊 的 F-15 戰斗機，使翻新后的飛機恢復戰斗力。2016 年，美國Lockheed Martin公司用3D打印技術制造的連 接器底殼部件成功應用于美海軍三叉戟ⅡD5導彈中，該鋁合金零部件制造時間是傳統制造時間的一半，大 大縮短了加工制作周期。美國 Texas 大學通過對Inconel625超合金和Ti-6Al-4V直接激光燒結 制造出F-14戰斗機和AIM-9導彈的零部件，用于裝備 F14戰機機翼，金屬3D打印最大零件的 尺寸為5.8 m×1.2 m×1.2 m。 3D打印技術在軍事和民用領域的廣泛應用與其優越性息息相關，具有的優點包括：金屬打印零件的綜合性能優異;復雜零件的制造工藝流程較傳統工藝大大縮短;無模具快速自由成型，制造周期短;小批 量零件的生產成本低;零件近凈成型，機加工余量小， 材料利用率高;可實現多種金屬材料的任意復合制 造。3D打印技術，特別是金屬3D打印技術的日益成 熟，為其應用于武器裝備的快速維修保障奠定了良好 的基礎，世界主要軍事大國紛紛積極探索3D打印技術 應用于戰場裝備的快速維修保障

2 用于裝備快速維修保障的需求分析

武器裝備是遂行戰場作戰任務的重要工具，是取 得戰爭勝利的重要因素。現代高技術戰爭進程快、裝 備多，快速性是現代戰爭對戰場搶修的基本要求。面 對精確打擊武器的威脅，武器裝備損傷的比例明顯增 大，戰場環境、維修條件、戰場故障的偶發性使戰場搶 修任務極為復雜嚴峻。對戰損武器裝備進行戰場快速 維修，使其快速重新投入戰場是一個不容忽視的問題。 然而，目前戰場裝備維修保障仍然存在諸多不足。

1）備件大量冗余。新型裝備往往有種類繁多的零 部件，在復雜多變的戰場環境下，為保證戰損的零部件 能夠得到及時更換，后勤保障不得不攜帶種類眾多、數 量龐大甚至不會用到的備用零件。這種維修保障模式 給后勤保障工作帶來很大壓力，對后勤保障資源造成 極大的浪費。

2）突發保障不足。復雜的戰場環境下，誘發裝備 零件損壞的因素千變萬化，戰損的不確定性使零件的 損壞難以預測。武器裝備某種不常出現故障的零件可 能突然出現大量損壞，而戰場一定數量的備用零件不 能完全滿足裝備損壞零件的維修需求。前線修復能力 不足，后方修復或重新制造新零件的制作周期長，耗費 大量時間，導致武器裝備不能迅速恢復戰斗力，甚至延誤戰機。

參考文獻：

[1]Wohlers Associates. Wohlers report 2015？3D printing and ad？ ditive manufacturing state of the industry annual worldwide progress report[R]. USA：Wohlers Associates，2015.

[2]栗琳，朱斌，陳龍. 國外維修保障理念的最新發展[J]. 航空 制造技術，2010（20）：40-43.

[3]劉亞威. 美國國防部增材制造路線圖分析：向規模化應用 邁進[N]. 中國航空報，2017-03-11.

作者簡介：

陳振濤，男，生于2000年12月，山東菏澤人，漢族，青島理工大學本科在讀，研究方向，機械設計制造及其自動化

張明悅，女，生于2002年11月，山東濟南人，漢族，青島理工大學本科在讀，研究方向，會計學

郝龍飛，男，生于2000年6月，山東濰坊人，漢族，山東魯能德益工程有限公司員工 ，研究方向：工程造價

韓茂棟，男，生于2002年4月，山東濰坊人，漢族，青島理工大學專科在讀，研究方向：機械設計與制造。

趙海旭，男，生于2002年3月，山東青島人，漢族，青島理工大學專科在讀，研究方向：機械設計與制造