3D打印技术及军事应用有怎样的使用前景

增材制造技术是对传统切削加工技术的原理性颠覆，不需要传统的模具、刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决了许多过去难以实现的复杂结构零件的制造问题，因此在武器装备研制生产中显示出不可替代的作用和广阔应用前景，成为世界国防前沿技术的研究热点和重点。美国《时代》周刊已将增材制造技术列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将与其他数字化生产模式一起推动实现新的工业革命。

（一）研究进展
近年来，增材制造技术持续升温，世界许多国家均通过制定制造业发展战略、制定技术路线图等多种措施，促进增材制造技术的发展和应用。

增材制造工艺过程检测技术取得重要进展，成形效率和质量显著提高。近年来，随着工艺过程不断优化，适用材料品种不断增加，设备加工检测能力不断提升，制造效率、产品精度和质量获得稳步提升，增材制造技术应用范围迅速扩展。2013年，DST Control公司利用熔融堆积成形技术成功制造了COLIBRI微型高性能光电万向支架中的20个塑料零件，该光电万向支架用于无人系统的成像，并已装备一个球形地面无人车Groundbot。预计COLIBRI支架最初的年产量为50个，交货周期由10-12周减少到4周。2016年，Promolding公司通过利用Stratasys PolyJet 3D打印解决方案，将注塑模具的生产时间缩短了93％，空客公司等航空航天制造企业也有望大规模应用这一技术。

增材制造技术的标准规范日益完善，标志着该项技术开始走向成熟应用。目前，增材制造技术标准与规范的制订日益受到重视，将促进该技术的健康持续发展。2012年，美国材料实验协会（ASTM）国际委员会针对Ti-6Al-4V的增材制造制订了F2924-12标准。2013年9月，美国国家标准与技术研究院（NIST）公布了总额740万美元的资金援助项目，以解决增材制造在测量和标准方面面临的重大问题。2015年7月，欧盟“增材制造标准化支持行动（SASAM）”项目发布了增材制造标准化路线图，明确阐述了标准化对增材制造技术发展和应用的重要性。

增材制造技术和生物制造技术深度交叉融合，叠加优势效应开始显现。生物3D打印能直接打印出活体组织，甚至直接打印活体替代器官。2010年6月，美国Organovo公司成功研制出“按需打印”患者所需的人体活器官的机器，对未来战场及时救援具有巨大潜在意义。2013年2月20日，美国康奈尔大学的研究人员利用牛耳细胞3D打印出人造耳朵。2016年，美国海军研究实验室（NRL）化学部门负责人Ringeisen发明的生物激光打印机（BioLP）目前已经获得专利批准，美国海军研究实验室希望借此技术治疗一些常见战场伤病，如创伤性脑损伤、烧伤以及听力损伤等。

（二）发展趋势
增材制造技术代表着生产模式和先进制造技术发展的趋势，产品生产将逐步从大规模制造向定制化制造发展，满足社会多样化需求。其间接作用和未来前景难以估量。增材制造优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制、结构复杂零件制造。增材制造技术相对传统制造技术还面临许多新挑战，还存在使用成本高(10元/g～100元/g)，制造效率低，例如金属材料成形为100g/h～3000g/h，制造精度尚不能令人满意；其工艺与装备研发尚不充分，尚未进入大规模工业应用等问题。目前，增材制造技术还只是传统大批量制造技术的一个补充，未来将会与传统技术优选、集成，形成新的发展增长点。

向功能零件制造发展。采用激光或电子束直接熔化金属粉，逐层堆积金属，形成金属直接成形技术。该技术可以直接制造复杂结构金属功能零件，制件力学性能可以达到锻件性能指标。随着技术的不断成熟，增材制造的使用成本不断降低，其应用重点已经由最初的设计和原型工具的应用，转向了功能部件和产品的生产，进一步提高精度和性能，同时向陶瓷零件的增材制造技术和复合材料的增材制造技术发展。

向智能化装备发展。目前，增材制造设备在软件功能和后处理方面还有许多问题需要优化。例如，成形过程中需要加支撑，软件智能化和自动化需要进一步提高;制造过程，工艺参数与材料的匹配性需要智能化;加工完成后的粉料或支撑需要去除等问题，这些问题直接影响设备的使用和推广。

向组织与结构一体化制造发展。增材制造下一步是实现从微观组织到宏观结构的可控制造。例如，在制造复合材料时，将组织设计制造与外形结构设计制造同步完成，在微观到宏观尺度上实现同步制造，实现结构体的“设计—材料—制造”—体化。支撑生物组织制造、复合材料等复杂结构零件的制造，给制造技术带来革命性发展。

（三）重大影响
增材制造技术可显著改善装备制造流程，提高装备的战术适应性，不仅将为装备研制带来重大变革，而且可能从根本上影响国防工业基础，甚至会对战争形态和作战样式产生颠覆性影响。

增材制造将实现复杂装备轻质、高强、低成本及敏捷化质的飞跃。目前，使用3D打印钛合金零件的F-35已经进行了试飞。据估计，未来如果3000多架战机都使用增材制造技术生产零部件，不仅大大提高“难产”的F-35战机的部署速度，而且还能节省数十亿美元成本，如原本相当于材料成本1~2倍的加工费现在只需原来的10%。

增材制造可大幅降低贵重资源消耗，实现国防稀缺资源高效利用。采用增材制造方式超过90%的原材料可以回收再利用，这对于国防工业的稀缺资源来说，具有重要的战略意义。例如在航空航天领域，为实现零件的高性能，需要大量使用钛合金和镍基合金等昂贵的战略材料。F-22战机的钛合金框材料利用率仅为4.8%，如运用增材制造技术，可节约2/3以上的昂贵钛合金原材料。

增材制造将激发新型装备设计理念，创造更加卓越的价值链体系。增材制造不仅是一种先进的制造技术，它还将对现有的设计理念、生产方式和研发模式产生冲击，使得制造和设计被整合成为“精确研发”模式。这不但会影响制造业本身，还将改变整个装备研发体系。借助信息技术所形成的“信息物理系统”，增材制造所具有的开放型和大众性，将为未来的创新搭建了广阔的舞台。

作者 ：   汪浩
研究领域：  舰船智能制造技术、国防基础性前瞻性颠覆性技术研究等