3D打印技术在装备制造及维修保障领域的应用研究

陈振涛 张明悦 郝龙飞 韩茂栋 赵海旭

摘 要：近年来3D打印技术发展迅速，在成型单件小批量、结构复杂的零件上显示出独特优势。3D打印技术在武器装备 领域的成功实践，为战场装备快速维修保障提供技术支撑。针对3D打印在军事领域的应用现状，分析目前战场装备维 修存在的问题以及3D打印应用于战场装备快速维修的军事需求。结合3D打印工艺特点及战场抢修及时性的要求，阐 述3D打印应用于装备快速维修的关键技术，为3D打印技术应用于战场装备快速维修保障提供新思路。

关键词：3D打印技术;装备维修;

3D打印技术又称增材制造技术，是制造业领域一 门新兴技术，近年来获得了迅速发展。根据沃勒斯 2015 年度报告（Wohlers Report 2015）显示，在过去 26 年里，全球增材制造所有产品和服务收入的年复合增长率高达27.3%，2014年增长率达35.2% ，2015年全 球收入总额达51.65亿美元，且每年以两位数的速度增 长。目前，3D 打印已广泛应用于航空航天、汽车、建筑、医疗、武器装备等领域，尤其在个性化定制和快速 生产领域显示出巨大潜力。

信息化战争条件下，武器装备系统结构日益复杂，装备的快速维修保障日益成为影响部队作战能力的重要因素 。传统的战场装备维修保障方式很难适应快节奏的高技术战争。信息化主导下的高技术战争，为3D打印技术在武器装备维修的应用提供了良好契机， 美军在第3次“抵消战略”中明确将其列为重要发展方向。2016年美国国防部发布《增材制造路线图》，该路 线图由美国陆海空三军和后勤局全程参与，主要面向 维修与保障、部署与远征、新部件/系统 3 个内容。日益成熟的3D打印技术将给战场装备维修保障带来革命性的变化 。

在装备制造和保障中的应用现状

在航空航天、汽车、建筑、医疗等领域积极引进3D 打印技术，尤其是军事领域，使武器装备研制周期、加 工时间明显缩短、材料使用率显著提高。 我国西北工业大学利用激光立体成形技术制造 C919 的中央翼缘条，最大制造尺寸达 2.83 m，最大变形量<1 mm，填补了我国无法制作大型钛合金结构件 的空白。北京航空航天大学利用激光 快速成形技术制造的钛合金主承力构件加强框，使我 国成为唯一掌握3D打印技术制造飞机大型主承力构 件且装机工程应用的国家， 美国国家航空航天局（NASA）将激光烧结技术制 造的零部件成功应用于 L-2X 火箭发动机上，这种形状复杂、小体积零件的制造显示了3D打印区别于传统 加工技术的独特优势。美国通用电气（GE）运用SLM将原本18个零件组成的 Leap-X 发动机离心式燃油喷嘴一体化成型为 1 个镍 钴合金3D打印零件，省去繁杂的组装过程，其质量减轻25%，且耐用性提高了5倍。

2013 年欧洲宇航防务集团（EADS）通过结构优 化，取代铸钢零件，利用激光烧结钛合金制造空客 A320 机舱铰链支架，节约材料达 75%。2016 年，法国Thales Alenia宇航公司与Poly Shape公司合作 利用粉末床激光熔融技术为韩国制造通信卫星支撑结 构件，3D打印的AlSi7Mg合金支撑结构件比通 常使用的铝合金零件更轻，质量减轻 22%，成本节约 30%，生产周期缩短1～2个月。 2013 年，美国 Solid Concept 公司以经典的 M1911 手枪为原型，利用激光烧结技术打造了世界上第1把2013年，一艘利用增材制造技术制作的海军医院 船模型（T-AH20）在美国海军水面作战中心（NSWC） 诞生，该船用于测量风力和气流。由于使用3D打印技 术，这艘结构复杂的船模得以免去装配过程，从而大大 缩短了加工时间，德国InssTek公司使 用Grand Teton 3D打印机，利用专有的DMT 技术为韩国空军成功完成了 F-15K 战斗机钛合金发动机护罩 和钴合金空气密封件的修复工作，该方法制造的零件 加工时间短，完全满足安全性、可靠性等使用要求。 2016 年，以色列空军维修单位（AMU）利用 3D 打印技 术，制造强度相当于铝的塑料聚合物零部件修复老旧 的 F-15 战斗机，使翻新后的飞机恢复战斗力。2016 年，美国Lockheed Martin公司用3D打印技术制造的连 接器底壳部件成功应用于美海军三叉戟ⅡD5导弹中，该铝合金零部件制造时间是传统制造时间的一半，大 大缩短了加工制作周期。美国 Texas 大学通过对Inconel625超合金和Ti-6Al-4V直接激光烧结 制造出F-14战斗机和AIM-9导弹的零部件，用于装备 F14战机机翼，金属3D打印最大零件的 尺寸为5.8 m×1.2 m×1.2 m。 3D打印技术在军事和民用领域的广泛应用与其优越性息息相关，具有的优点包括：金属打印零件的综合性能优异;复杂零件的制造工艺流程较传统工艺大大缩短;无模具快速自由成型，制造周期短;小批 量零件的生产成本低;零件近净成型，机加工余量小， 材料利用率高;可实现多种金属材料的任意复合制 造。3D打印技术，特别是金属3D打印技术的日益成 熟，为其应用于武器装备的快速维修保障奠定了良好 的基础，世界主要军事大国纷纷积极探索3D打印技术 应用于战场装备的快速维修保障

2 用于装备快速维修保障的需求分析

武器装备是遂行战场作战任务的重要工具，是取 得战争胜利的重要因素。现代高技术战争进程快、装 备多，快速性是现代战争对战场抢修的基本要求。面 对精确打击武器的威胁，武器装备损伤的比例明显增 大，战场环境、维修条件、战场故障的偶发性使战场抢 修任务极为复杂严峻。对战损武器装备进行战场快速 维修，使其快速重新投入战场是一个不容忽视的问题。 然而，目前战场装备维修保障仍然存在诸多不足。

1）备件大量冗余。新型装备往往有种类繁多的零 部件，在复杂多变的战场环境下，为保证战损的零部件 能够得到及时更换，后勤保障不得不携带种类众多、数 量庞大甚至不会用到的备用零件。这种维修保障模式 给后勤保障工作带来很大压力，对后勤保障资源造成 极大的浪费。

2）突发保障不足。复杂的战场环境下，诱发装备 零件损坏的因素千变万化，战损的不确定性使零件的 损坏难以预测。武器装备某种不常出现故障的零件可 能突然出现大量损坏，而战场一定数量的备用零件不 能完全满足装备损坏零件的维修需求。前线修复能力 不足，后方修复或重新制造新零件的制作周期长，耗费 大量时间，导致武器装备不能迅速恢复战斗力，甚至延误战机。

参考文献：

[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，陈龙. 国外维修保障理念的最新发展[J]. 航空 制造技术，2010（20）：40-43.

[3]刘亚威. 美国国防部增材制造路线图分析：向规模化应用 迈进[N]. 中国航空报，2017-03-11.

作者简介：

陈振涛，男，生于2000年12月，山东菏泽人，汉族，青岛理工大学本科在读，研究方向，机械设计制造及其自动化

张明悦，女，生于2002年11月，山东济南人，汉族，青岛理工大学本科在读，研究方向，会计学

郝龙飞，男，生于2000年6月，山东潍坊人，汉族，山东鲁能德益工程有限公司员工 ，研究方向：工程造价

韩茂栋，男，生于2002年4月，山东潍坊人，汉族，青岛理工大学专科在读，研究方向：機械设计与制造。

赵海旭，男，生于2002年3月，山东青岛人，汉族，青岛理工大学专科在读，研究方向：机械设计与制造