美軍系統(tǒng)研究3D 打印技術在裝備維修保障中的應用

來源：賽斯智庫

近年3D 打印技術獲得迅速發(fā)展，由于其在民用和軍用制造領域具有重要的應用潛力，受到世界各國高度重視。英國《經(jīng)濟學人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一文中，把3D打印技術列為第三次工業(yè)革命的重要標志之一。美國科學家則將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”。在裝備維修領域3D打印技術同樣具有廣泛的應用前景，可用于裝備維修備件和工具的快速制造。美軍已投入了大量資金發(fā)展3D打印技術，對美軍未來戰(zhàn)場裝備維修保障將產(chǎn)生重要影響。

一、3D打印技術的基本概念及發(fā)展現(xiàn)狀
3D打印的技術原理和傳統(tǒng)打印的原理基本相同。傳統(tǒng)打印是利用打印機把墨水噴涂到平面（紙，布等）上以形成一副二維圖像。而3D打印首先將采集物品的三維數(shù)據(jù)或將其三維設計圖把墨水噴涂到平面（紙，布等）上，化為一組數(shù)據(jù)，然后由打印機逐層分切，針對分切的每一層結構，按層次打印。3D打印技術通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來形成三維實體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術不同，因此又被稱為增材制造技術。

作為一種綜合性應用技術，3D打印綜合了數(shù)字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，具有很高的技術含量。3D打印機是3D打印的核心設備，它是集機械，控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成形環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D打印技術體系的重要組成部分。

目前，3D打印技術已經(jīng)有十幾種不同的成形方法，通常將它們分為兩類：第一類是基于激光技術的成形方法，如立體光刻、紙疊層、選擇性激光燒結，選擇性激光熔化等；第二類是非激光技術的快速成型方法，如熔絲沉積、三維打印、掩膜光固化、沖擊微粒制造、實體磨削固化等。

在世界各國的大力推動下，3D打印技術逐步走向成熟，在打印材料和打印精度方面都有較大的提高。目前，一般打印精度可以達到600dpi的精細分辨率，每層材料的厚度最小可以達到0.lmm，最小特征大小可以做到0.1mm。打印的材料從石料、金屬到高分子材料都可以適用。此外，打印的速度也有所提高，以較高分辨率打印，每小時打印的垂直高度可以達到1英寸（約2.54cm）以上。在歐美發(fā)達國家，3D打印技術已經(jīng)初步形成了成功的商用模式。如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領域，3D打印技術可以以較低的成本，較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復雜而精細的造型。


二、3D打印技術在武器裝備維修上的應用前景
隨著技術的迅速發(fā)展，3D打印的概念已經(jīng)不僅僅停留在工業(yè)設計階段，而是在越來越多的領域實現(xiàn)了應用，在武器裝備維修領域也有良好的應用前景。

一是可用于戰(zhàn)時裝備維修備件快速制造。戰(zhàn)時，維修備件要依賴多級供應渠道保障，少部分關鍵備件由部隊攜帶以及進行戰(zhàn)場預置，用于戰(zhàn)損裝備應急搶修，但這部分備件數(shù)量有限，戰(zhàn)時極易耗盡，且不能保證備件種類齊全；大部分備件要依靠戰(zhàn)場后方的供應基地以及廠家提供保障，備件供應時間較長，在戰(zhàn)時難以提供及時有效的保障。在戰(zhàn)場上應用3D打印技術可為戰(zhàn)損裝備應急搶修提供一個有效的備件解決方案。戰(zhàn)時僅需利用預先攜帶的裝備部件數(shù)據(jù)，利用3D打印機即可制造應急備件，快速恢復裝備戰(zhàn)斗能力，能有效緩解備件供應系統(tǒng)的負擔。

二是用于戰(zhàn)場生產(chǎn)裝備維修工具和設備。由于戰(zhàn)時裝備使用和搶修面臨多種突發(fā)狀況，前線維修人員配發(fā)的標準維修工具和設備有限，可能難以滿足戰(zhàn)時應急搶修的需求。利用3D打印技術，一線維修人員可根據(jù)預先準備的圖紙，現(xiàn)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(jù)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。

三、3D打印技術在武器裝備維修領域的優(yōu)勢
一是可快速制造復雜備件。由于3D打印的過程與零部件的復雜程度無關，是真正的自由制造，這是傳統(tǒng)方法無法比擬的。以選擇性激光燒結技術為例，不需要預先制作支架，以未燒結的松散粉末作為自然支架，可以成型幾乎任意形狀的零件，對具有復雜內部結構的零件特別有效。這一特點格外適合制造復雜的鈦合金結構部件、具有復雜內部冷卻通道的航空發(fā)動機渦輪葉片、內部材料和結構復雜的坦克裝甲等武器關鍵零部件，這會極大地降低復雜武器裝備部件的生產(chǎn)成本。

二是產(chǎn)品的單價與批量無關，特別適合于單件、小批量零件的生產(chǎn)。這一點對于部署數(shù)量較少的武器的維修工作具有極高的應用價值。以艦船為例，很多國家的海軍部隊都部署有少量列裝數(shù)量少、專用部件多、維修保障難的艦船裝備。由于需求量小，很多艦船裝備的維修備件無法依托批量生產(chǎn)線來制造，只能采用零散生產(chǎn)部件的方式提供備件，成本高，周期長。而3D打印部件生產(chǎn)成本與生產(chǎn)批量無關，這就大大改善了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的問題，對于維修保障少量列裝的武器裝備具有重要意義。

三是生產(chǎn)周期短。從CAD設計到零件的加工完成只需幾小時到幾十個小時，整個生產(chǎn)過程數(shù)字化，可隨時修正、隨時制造。這一特點使其特別適合于提高武器裝備部件的可靠性和維修性。過去，武器裝備定型后，其可靠性和維修性就固定下來，要改進裝備部件設計，引入新技術，提升其可靠性和維修性則十分困難。而3D打印技術可通過修改部件圖紙，快速調整裝備部件設計，對改進和提高武器裝備部件可靠性和維修性有很高的價值。

四是材料無浪費。傳統(tǒng)的機械加工技術是在原材料坯件基礎上進行某種形式的切削，擠壓等操作，從而把多余的原料去除，最終加工出所需的部件形狀。但是在這個過程中，原材料就會出現(xiàn)損失，而且是越昂貴的合金就越難進行回收利用，提高了生產(chǎn)成本、浪費了寶貴的資源，例如新一代戰(zhàn)斗機的鈦合金加工過程就要損失大量昂貴的航空鈦合金。而3D打印技術不存在材料的浪費，在任何部件生產(chǎn)過程中，所使用的粉末都變成了部件本身，而沒有被使用的粉末，依然可以繼續(xù)使用，這對于降低先進武器裝備備件的生產(chǎn)成本具有很高的經(jīng)濟價值。


四、3D打印技術在美軍武器裝備維修保障領域的發(fā)展與應用
目前，美軍各軍種均在推動3D打印技術的發(fā)展應用，在一些裝備的生產(chǎn)和維修上，已經(jīng)開始利用3D打印技術來制造部件，為3D打印技術在未來裝備維修保障上的應用提供了可以預期的前景。

據(jù)美國《空天力量雜志》網(wǎng)站2016年12月刊文報道。美國研究人員對增材制造在國防領域的應用現(xiàn)狀和發(fā)展空間進行了探討。
（1）進一步明確增材制造技術在裝備維修保障領域的作用意義和應用前景。研究認為，增材制造對美軍后勤和保障工作具有深遠的意義。航空工業(yè)協(xié)會產(chǎn)品保障委員會主席表示，增材制造是一項顛覆性技術，未來將重塑維修保障模式，降低分發(fā)、存儲和管理零備件庫存的成本和后勤負擔，提升系統(tǒng)的可用性，并且大幅提升軍隊的戰(zhàn)備水平。

（2）加強增材制造技術研究管理。美國逐步形成從國家、國防部和軍兵種層面的增材制造技術研究應用工作體系。在國家層面，美國設有國家制造科學研究所，負責增材制造技術的開發(fā)和技術規(guī)劃與引領，自2015年起開始研究增材制造在裝備維修保障方面的應用。國防部設有國防部維護作業(yè)增材制造工作組，它與工業(yè)部門合作，制定國防部綜合戰(zhàn)略愿景，推動增材制造技術的協(xié)作性戰(zhàn)術實施，支撐國防部全球武器系統(tǒng)維修企業(yè)。在軍兵種層面，陸海空軍也都規(guī)劃了增材制造技術發(fā)展的路線圖和具體的開發(fā)應用計劃與工作安排。
（3）加快3D打印技術、檢測認證技術等多種技術開發(fā)，為增材制造在裝備維修保障領域的應用提供更加廣闊的空間。
（4）確定合理的增材制造維修保障業(yè)務模式，以及具體操作方案，快速推進增材制造技術在維修保障領域的廣泛應用。
（5）直面問題與挑戰(zhàn)。增材制造在維修領域的成功應用需要產(chǎn)品的制造、維護等各環(huán)節(jié)部門的合作，涉及技術數(shù)據(jù)管理、互操作工業(yè)標準的應用和數(shù)據(jù)所有權等問題。此外，還必須防范分布式增材制造環(huán)境的網(wǎng)絡安全風險，保護制造和維修環(huán)境中三維輸入數(shù)據(jù)的完整性和工業(yè)控制系統(tǒng)。

美軍各軍種也對增材制造技術在維修保障中的應用進行了研究。陸軍航空與導彈研發(fā)與工程中心與科帕斯克里斯蒂陸軍軍械庫合作，在驗證激光增材制造技術，以用于儲存、分析、失效評估和回收設施內的高價值航空資產(chǎn)的恢復、回收和再利用。增材制造將用于對目前通過傳統(tǒng)制造方式不能恢復使用的陸航資產(chǎn)進行維修。項目目標包括縮短更換部件從訂貨到交貨的采購時間，為侯選零件制定合格的維修程序，降低成本，以免影響作戰(zhàn)、保障和戰(zhàn)備。美國陸軍還開發(fā)了基于增材制造技術的3D打印遠征工具包。它是一種基于增材制造技術的快速制造設備，可用于制造特殊工具、零備件和其他部件。可部署在戰(zhàn)場上，裝備距離需求地點盡可能近得士兵，以及供應保障受限的維修部隊。為旅保障營、維修供應部隊及其他特殊任務部隊快速制造戰(zhàn)備維修零件、專業(yè)工具、關鍵零備件和定制包裝。3D打印遠征工具包配有工作所需的設備、軟件、工具，以及獲得授權的設計文件數(shù)據(jù)庫，能夠幫助士兵在戰(zhàn)場上進行制造，滿足快速修理的需求。該工具包還使得土兵能夠對經(jīng)工程師驗證的解決方案加以創(chuàng)新，以滿足于作戰(zhàn)和任務相關的特殊需求。

海軍方面，美國海軍正在加大規(guī)劃力度，積極推進3D打印技術在保障領域的應用。海軍為此制定了3D打印技術發(fā)展路線圖，內容包括：發(fā)展合格檢驗和監(jiān)督增材制造部件的能力；使增材制造數(shù)字化框架和工具標準化；為海軍建立一個先進的綜合數(shù)字化制造網(wǎng)絡；為海軍人員創(chuàng)造更好地接受3D打印教育、培訓并取得證書的機會；在采辦執(zhí)行辦公室內增設一名增材制造協(xié)調員。增材制造具有驚人的靈活性，能極大地提高海軍艦隊壽命周期后勤效能，提高作戰(zhàn)物資可獲得性，降低成本。美國海軍在“埃塞克斯”號兩棲攻擊艦（LHD-2）上在北卡羅來納州切里波因特海軍陸戰(zhàn)隊航空基地的飛機維修過程中，使用了增材制造技術。在海軍艦隊戰(zhàn)備中心和地區(qū)維修中心，增材制造正在以多種方式得以應用，有利于提升艦隊戰(zhàn)備狀態(tài)，并節(jié)約時間和成本。海軍正在對預期的戰(zhàn)備狀態(tài)提升進行海上試驗，為使增材制造能夠生產(chǎn)普適型零件，而不是原型件，海軍研究辦公室已求助于工業(yè)部門。

空軍方面，空軍裝備司令部制定了增材制造實施計劃，該計劃采取周密措施，以靈活和相互協(xié)調的策略解決空軍在增材制造方面遇到的各種問題。增材制造實施計劃通過整個空軍層面的標準化設備、工藝、工具和規(guī)程確立了堅實的基礎。在涵蓋全球各地的空軍基地、維護和維修部門、工程兵部隊和眾多武器系統(tǒng)項目辦公室的大型網(wǎng)絡中，建立有效的增材制造網(wǎng)絡需要新方法，應借鑒維修網(wǎng)絡一體化工作經(jīng)驗，并允許空軍采取靈活的部署策略。空軍對未來作戰(zhàn)概念中增材制造技術的運用場景進行了構想。即是空運一個滿載聚合物的集裝箱，空投至孤立的前沿哨所直接制造3D打印零件。打印所需的文件通過安全的空間鏈接發(fā)送，打印機在數(shù)小時內就生產(chǎn)出關鍵零件。


五、3D打印技術存在的不足及未來發(fā)展趨勢
3D打印技術目前仍處于初步發(fā)展階段，現(xiàn)階段在應用上仍面臨眾多瓶頸和挑戰(zhàn)。一是成本高，現(xiàn)有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難。二是打印材料有限，目前3D打印的成型材料多采用化學聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率仍不能達到傳統(tǒng)制造的水平，目前3D打印成品的精度還不盡如人意，打印效率還遠不能適應大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

3D打印技術發(fā)展速度很快，根據(jù)國際快速制造行業(yè)權威報告《沃勒斯報告2011》發(fā)布的調查結果，全球3D打印行業(yè)產(chǎn)值在1988-2010年保持著26.2%的年均增長速度。報告預期，3D打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長，2016年，包含設備制造和服務在內的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達到31億美元，2020年將達到52億美元。隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，3D打印技術在速度、精度、材料上都將獲得改善，成本上也將進一步降低，將在裝備維修保障領域得到廣泛應用


六、提升保障業(yè)務指揮管理系統(tǒng)水平
為適應未來信息化、網(wǎng)絡化作戰(zhàn)需要，日本非常重視軍事信息系統(tǒng)包括維修保障信息系統(tǒng)的建設，將其作為發(fā)展信息化武器裝備體系的首要任務。日本的維修保障業(yè)務信息系統(tǒng)包括了裝備品管理系統(tǒng)、維修管理信息系統(tǒng)、通用物資管理系統(tǒng)、車輛使用狀況系統(tǒng)、庫存管理系統(tǒng)、供需控制系統(tǒng)等。從管理層級上形成了中央（總部）信息系統(tǒng)、自衛(wèi)隊信息系統(tǒng)和基層團級系統(tǒng)。2015年，日本海上自衛(wèi)隊補給本部部長村川豐參加了“海上自衛(wèi)隊聯(lián)合修造補給系統(tǒng)”啟用儀式。該系統(tǒng)由富士通公司研制，旨在將各種獨立的修造、補給系統(tǒng)整合，以提高修造補給的效率與安全，消減系統(tǒng)運營成本。海上自衛(wèi)隊聯(lián)合修造補給系統(tǒng)由軍需控制系統(tǒng)、艦船補給系統(tǒng)、航空補給系統(tǒng)和修造業(yè)務系統(tǒng)4大類業(yè)務信息系統(tǒng)集合而成。預計新系統(tǒng)每年可為海上自衛(wèi)隊節(jié)約6.3億日元的經(jīng)費支出和14.5萬h的業(yè)務處理時間。該系統(tǒng)的主要任務有3個：迅速準確地完成修造與補給業(yè)務；確保系統(tǒng)安全在內的信息安全；強化充分利用信息技術的信息共享態(tài)勢，通過各系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫集成節(jié)約保障成本。