淺談3D打印技術對船艇器材保障的影響

文：趙天忠 陸序 王靜

修器材保障是軍事裝備保障不可或缺的重要組成部分。戰(zhàn)場上的維修器材保障要求齊全、快速、備便，但是由于軍事裝備損壞部位難以預測，同時前線保障分隊的器材攜行能力受限，加之遠離后方器材供應倉庫，常常會出現(xiàn)維修器材短缺或供應不及時的情況，從而影響了戰(zhàn)損裝備的修復。作為推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命的重要技術之一——3D打印技術，正在走向戰(zhàn)場。以美軍為首的世界各軍事強國渴望應用此項技術，解決戰(zhàn)場維修器材保障問題，因而已經(jīng)加速了相關技術的研究、使用和普及，并使得軍事裝備設計與制造、軍事裝備保障等多個領域產(chǎn)生了顛覆性的變化。

3D打印過程
3D打印包括創(chuàng)建3D打印數(shù)據(jù)、打印實物和后處理等三個過程。

1.  創(chuàng)建3D打印數(shù)據(jù)
創(chuàng)建3D打印數(shù)據(jù)包括零件3D模型的建立、近似處理和分層切片。3D模型可通過三維CAD軟件設計產(chǎn)生，也可通過3D掃描儀掃描已有樣品產(chǎn)生。近似處理是將3D設計模型轉化為通用STL格式文件。分層切片是將3D模型轉化為一系列的二維截面圖，并形成打印機的控制指令。

2.  打印實物
打印實物是將膠體或粉末等“打印材料”裝入打印機，再將打印機與電腦相連接，通過打印軟件讀取設計繪圖數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印機，從而控制印刷頭的移動與材料輸出。在3D打印機工作時，材料細絲與可溶性支撐材料將被加熱至半液體狀態(tài)，然后通過印刷頭輸出，精確地沉積成極其細微的分層，把“打印材料”和三維立體模型一層層疊加，這些截面層依次結合或熔融成最終的工件形狀。

3.  后處理
后處理過程主要包括工件與支撐材料的分離、必要的表面打磨和拋光處理等，根據(jù)需要也可對工件進行強化處理和熱處理等，以滿足軍事裝備的性能需求。

3D打印技術在軍事領域中的應用
在軍事領域中，世界各國不甘落后，積極發(fā)展并應用3D打印技術，在眾多領域涌現(xiàn)出令人矚目的應用成果。
（一）航空航天裝備
航空航天是3D打印技術運用最廣泛的領域之一，國內(nèi)外均已有許多成功的應用案例。洛克希德馬丁公司在F-35戰(zhàn)斗機副翼翼梁上使用了Sciaky公司3D打印的鈦合金零件，并進行了飛行測試驗證。兩個公司還聯(lián)合研制了F-22戰(zhàn)斗機鈦合金支座，并經(jīng)過了全壽命光譜疲勞試驗和負載試驗。英國皇家空軍1架裝配有3D打印金屬部件的旋風戰(zhàn)斗機試飛成功，其裝配的3D打印部件包括駕駛室的無線電防護罩、起落架防護裝置及進氣口支架。2013年歐洲宇航防務集團采用3D打印技術，用熱塑性材料制造出了微型無人機原型和無人機暫用零件。2012年，美國華盛頓州立大學某研究團隊，開展了旨在利用3D打印技術為小型科研衛(wèi)星生產(chǎn)金屬和陶瓷零部件的探索性研究項目。2013年，該研究團隊演示了利用3D打印設備和仿月球巖石材料生產(chǎn)零部件的相關工作，使美國的“太空制造”計劃向前邁進了重要的一步。中國首艘航空母艦“遼寧”號艦載機殲-15是于2012年10月至11月首飛成功的機型，它廣泛使用了3D打印技術制造鈦合金主承力部分，包括整個前起落架。我國在殲-20和殲-31研發(fā)過程中也采用了3D打印技術。

（二）裝備維修
在裝備維修方面，3D打印技術將顛覆傳統(tǒng)的器材保障方式。一旦零件損壞，只要有零件的3D模型數(shù)據(jù)，就可以在短時間內(nèi)制造出來，而不必等待供應商的工廠制造，保證了戰(zhàn)時的緊急維修。而且就目前而言，使用相同數(shù)量的耗材制造維修器材，3D打印機的生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)方法的3倍。美軍于2012年8月與2013年1月，兩次向阿富汗部署了可移動的3D打印實驗室，可以將鋁、塑料和鋼材等材料現(xiàn)場生產(chǎn)加工成所需零部件，包括單兵防護裝備和武器零部件。美國Optomec公司利用3D打印技術為美國空軍修復了高價值的航空金屬部件。安妮斯頓陸軍基地利用3D打印技術對M1艾布拉姆斯坦克的燃氣渦輪進行了修復，效果明顯達到了預期目標。美國海軍水下作戰(zhàn)中心已經(jīng)利用3D打印技術進行了老舊零件與工裝的維修。近年來，中國海軍開始在驅逐艦上裝備微型加工車間，應用3D打印技術快速修復受損零部件，大大提高了裝備保障效率。

（三）軍事電子
3D打印技術在軍事電子方面的應用場景已開始逐漸露出端倪。美國加利福尼亞大學伯克利分校研究采用3D打印技術制作了有機底電極場效應晶體管。美國伊利諾伊大學學者已打印出了三維微型曲面天線，深圳微航磁電有限公司在2013年采用3D打印技術制作了希爾伯特衛(wèi)星GPS天線，獲得了比四臂螺旋天線更好的性能。采用特殊噴頭，3D打印機可以噴射金屬焊料，用于形成芯片倒裝焊中的晶片凸點，也特別適合于難度很高的三維電氣互聯(lián)。

3D打印技術對船艇器材保障的影響
隨著3D打印技術的飛速發(fā)展和可適用的打印原材料范圍不斷擴展，勢必對未來戰(zhàn)場船艇器材保障產(chǎn)生變革性影響。

(一)船艇器材補給模式將由“支援投送”向“現(xiàn)場生產(chǎn)”轉變
傳統(tǒng)模式下,短缺的船艇器材常常需要依托后方保障基地前出支援投送。這種支援投送式船艇器材補給模式不僅耗時、耗力、效率低下，甚至還可能需要作戰(zhàn)兵力提供輸送過程中的安全保護。但隨著3D打印機向小型化、機動化和多功能性發(fā)展，3D打印機完全可以由維修人員自身攜帶或伴隨任務部隊機動部署。借助機動式3D打印設備，任務部隊自身可以“即需即造”,不受后方保障基地的制約，隨時隨地直接生產(chǎn)各種急需短缺的船艇器材，不僅安全快捷，而且可以做到適時、適地、適量的精確化保障。

(二)  船艇器材戰(zhàn)儲模式將由“實物重點儲備”向“技術數(shù)據(jù)儲備”轉變
傳統(tǒng)的船艇器材戰(zhàn)儲，是根據(jù)作戰(zhàn)類型和作戰(zhàn)任務，對戰(zhàn)時所需的維修器材進行預測，并對影響戰(zhàn)技性能的器材進行大批量實物重點儲備。這種儲備模式下，船艇器材必須一定時期內(nèi)占用倉儲空間，管理成本高，保管工作量大。同時長期儲備的船艇器材還會因為保管不到位，出現(xiàn)銹蝕、老化等情況導致報廢。而采用3D打印設備，只要有相關的計算機輔助設計數(shù)據(jù)，任何船艇器材都可打印制造出來，能充分滿足戰(zhàn)場需要。船艇器材儲備倉庫將被3D打印數(shù)據(jù)制作和數(shù)據(jù)儲備中心所取代，3D打印數(shù)據(jù)制作和數(shù)據(jù)儲備中心可以全面存儲戰(zhàn)場所需船艇維修器材的技術數(shù)據(jù)，不用擔憂船艇器材的漏儲、少儲的情況，不僅節(jié)約倉儲空間，降低管理成本，而且保障準確率高，沒有浪費，其軍事經(jīng)濟效益不言而喻。


(三） 船艇器材保障人員將由“專業(yè)型服務人員”向“專家型設計制造人員”轉變
3D打印技術的應用，將改變傳統(tǒng)船艇器材保障人員的角色定位。未來的船艇器材保障人員不再是局限于儲備、運輸、補給、再儲備、再運輸、再補給等日常事務處理的專業(yè)型服務人員，而應是熟練掌握計算機輔助設計、熟悉材料學和加工工藝知識的專家型設計制造人員。根據(jù)船艇裝備維修的需要，及時設計并打印制造出質(zhì)量合格的船艇器材，將對船艇器材保障人員的素質(zhì)能力提出非常高的要求。

(四） 船艇器材來源將由“專業(yè)廠家制造”向“部隊制造”轉變
傳統(tǒng)的船艇器材來源于專業(yè)廠家的制造，其保障能否及時很大程度上取決于專業(yè)制造廠家的服務水平和運營情況。其中，進口柴油機設備和部分老舊裝備的維修器材，一直存在供貨渠道單一，甚至供貨渠道短缺的情況，不僅價格偏高，而且購置困難。應用3D打印技術進行船艇器材保障，可以不受市場影響和專業(yè)廠家的制約，船艇部隊完全可立足于自我制造。無論是國產(chǎn)設備還是進口設備，新型裝備還是老舊裝備，其維修所需的器材都可以3D打印制造，省掉了船艇器材的訂購、包裝、運輸?shù)戎T多中間環(huán)節(jié)，保證了船艇器材保障的及時性和快速性。

作者：趙天忠 陸序 王靜