美军系统研究3D 打印技术在装备维修保障中的应用

来源：赛斯智库

近年3D 打印技术获得迅速发展，由于其在民用和军用制造领域具有重要的应用潜力，受到世界各国高度重视。英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，把3D打印技术列为第三次工业革命的重要标志之一。美国科学家则将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。在装备维修领域3D打印技术同样具有广泛的应用前景，可用于装备维修备件和工具的快速制造。美军已投入了大量资金发展3D打印技术，对美军未来战场装备维修保障将产生重要影响。

一、3D打印技术的基本概念及发展现状
3D打印的技术原理和传统打印的原理基本相同。传统打印是利用打印机把墨水喷涂到平面（纸，布等）上以形成一副二维图像。而3D打印首先将采集物品的三维数据或将其三维设计图把墨水喷涂到平面（纸，布等）上，化为一组数据，然后由打印机逐层分切，针对分切的每一层结构，按层次打印。3D打印技术通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来形成三维实体，与传统的去除材料加工技术不同，因此又被称为增材制造技术。

作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的技术含量。3D打印机是3D打印的核心设备，它是集机械，控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成形环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。

目前，3D打印技术已经有十几种不同的成形方法，通常将它们分为两类：第一类是基于激光技术的成形方法，如立体光刻、纸叠层、选择性激光烧结，选择性激光熔化等；第二类是非激光技术的快速成型方法，如熔丝沉积、三维打印、掩膜光固化、冲击微粒制造、实体磨削固化等。

在世界各国的大力推动下，3D打印技术逐步走向成熟，在打印材料和打印精度方面都有较大的提高。目前，一般打印精度可以达到600dpi的精细分辨率，每层材料的厚度最小可以达到0.lmm，最小特征大小可以做到0.1mm。打印的材料从石料、金属到高分子材料都可以适用。此外，打印的速度也有所提高，以较高分辨率打印，每小时打印的垂直高度可以达到1英寸（约2.54cm）以上。在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本，较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。


二、3D打印技术在武器装备维修上的应用前景
随着技术的迅速发展，3D打印的概念已经不仅仅停留在工业设计阶段，而是在越来越多的领域实现了应用，在武器装备维修领域也有良好的应用前景。

一是可用于战时装备维修备件快速制造。战时，维修备件要依赖多级供应渠道保障，少部分关键备件由部队携带以及进行战场预置，用于战损装备应急抢修，但这部分备件数量有限，战时极易耗尽，且不能保证备件种类齐全；大部分备件要依靠战场后方的供应基地以及厂家提供保障，备件供应时间较长，在战时难以提供及时有效的保障。在战场上应用3D打印技术可为战损装备应急抢修提供一个有效的备件解决方案。战时仅需利用预先携带的装备部件数据，利用3D打印机即可制造应急备件，快速恢复装备战斗能力，能有效缓解备件供应系统的负担。

二是用于战场生产装备维修工具和设备。由于战时装备使用和抢修面临多种突发状况，前线维修人员配发的标准维修工具和设备有限，可能难以满足战时应急抢修的需求。利用3D打印技术，一线维修人员可根据预先准备的图纸，现场打印维修所需的维修工具或设备，必要时还可由后方设计人员根据前线维修需求临时设计新的维修工具和设备，再利用前线部署的3D打印机制造定制的维修工具。

三、3D打印技术在武器装备维修领域的优势
一是可快速制造复杂备件。由于3D打印的过程与零部件的复杂程度无关，是真正的自由制造，这是传统方法无法比拟的。以选择性激光烧结技术为例，不需要预先制作支架，以未烧结的松散粉末作为自然支架，可以成型几乎任意形状的零件，对具有复杂内部结构的零件特别有效。这一特点格外适合制造复杂的钛合金结构部件、具有复杂内部冷却通道的航空发动机涡轮叶片、内部材料和结构复杂的坦克装甲等武器关键零部件，这会极大地降低复杂武器装备部件的生产成本。

二是产品的单价与批量无关，特别适合于单件、小批量零件的生产。这一点对于部署数量较少的武器的维修工作具有极高的应用价值。以舰船为例，很多国家的海军部队都部署有少量列装数量少、专用部件多、维修保障难的舰船装备。由于需求量小，很多舰船装备的维修备件无法依托批量生产线来制造，只能采用零散生产部件的方式提供备件，成本高，周期长。而3D打印部件生产成本与生产批量无关，这就大大改善了传统生产方式的问题，对于维修保障少量列装的武器装备具有重要意义。

三是生产周期短。从CAD设计到零件的加工完成只需几小时到几十个小时，整个生产过程数字化，可随时修正、随时制造。这一特点使其特别适合于提高武器装备部件的可靠性和维修性。过去，武器装备定型后，其可靠性和维修性就固定下来，要改进装备部件设计，引入新技术，提升其可靠性和维修性则十分困难。而3D打印技术可通过修改部件图纸，快速调整装备部件设计，对改进和提高武器装备部件可靠性和维修性有很高的价值。

四是材料无浪费。传统的机械加工技术是在原材料坯件基础上进行某种形式的切削，挤压等操作，从而把多余的原料去除，最终加工出所需的部件形状。但是在这个过程中，原材料就会出现损失，而且是越昂贵的合金就越难进行回收利用，提高了生产成本、浪费了宝贵的资源，例如新一代战斗机的钛合金加工过程就要损失大量昂贵的航空钛合金。而3D打印技术不存在材料的浪费，在任何部件生产过程中，所使用的粉末都变成了部件本身，而没有被使用的粉末，依然可以继续使用，这对于降低先进武器装备备件的生产成本具有很高的经济价值。


四、3D打印技术在美军武器装备维修保障领域的发展与应用
目前，美军各军种均在推动3D打印技术的发展应用，在一些装备的生产和维修上，已经开始利用3D打印技术来制造部件，为3D打印技术在未来装备维修保障上的应用提供了可以预期的前景。

据美国《空天力量杂志》网站2016年12月刊文报道。美国研究人员对增材制造在国防领域的应用现状和发展空间进行了探讨。
（1）进一步明确增材制造技术在装备维修保障领域的作用意义和应用前景。研究认为，增材制造对美军后勤和保障工作具有深远的意义。航空工业协会产品保障委员会主席表示，增材制造是一项颠覆性技术，未来将重塑维修保障模式，降低分发、存储和管理零备件库存的成本和后勤负担，提升系统的可用性，并且大幅提升军队的战备水平。

（2）加强增材制造技术研究管理。美国逐步形成从国家、国防部和军兵种层面的增材制造技术研究应用工作体系。在国家层面，美国设有国家制造科学研究所，负责增材制造技术的开发和技术规划与引领，自2015年起开始研究增材制造在装备维修保障方面的应用。国防部设有国防部维护作业增材制造工作组，它与工业部门合作，制定国防部综合战略愿景，推动增材制造技术的协作性战术实施，支撑国防部全球武器系统维修企业。在军兵种层面，陆海空军也都规划了增材制造技术发展的路线图和具体的开发应用计划与工作安排。
（3）加快3D打印技术、检测认证技术等多种技术开发，为增材制造在装备维修保障领域的应用提供更加广阔的空间。
（4）确定合理的增材制造维修保障业务模式，以及具体操作方案，快速推进增材制造技术在维修保障领域的广泛应用。
（5）直面问题与挑战。增材制造在维修领域的成功应用需要产品的制造、维护等各环节部门的合作，涉及技术数据管理、互操作工业标准的应用和数据所有权等问题。此外，还必须防范分布式增材制造环境的网络安全风险，保护制造和维修环境中三维输入数据的完整性和工业控制系统。

美军各军种也对增材制造技术在维修保障中的应用进行了研究。陆军航空与导弹研发与工程中心与科帕斯克里斯蒂陆军军械库合作，在验证激光增材制造技术，以用于储存、分析、失效评估和回收设施内的高价值航空资产的恢复、回收和再利用。增材制造将用于对目前通过传统制造方式不能恢复使用的陆航资产进行维修。项目目标包括缩短更换部件从订货到交货的采购时间，为侯选零件制定合格的维修程序，降低成本，以免影响作战、保障和战备。美国陆军还开发了基于增材制造技术的3D打印远征工具包。它是一种基于增材制造技术的快速制造设备，可用于制造特殊工具、零备件和其他部件。可部署在战场上，装备距离需求地点尽可能近得士兵，以及供应保障受限的维修部队。为旅保障营、维修供应部队及其他特殊任务部队快速制造战备维修零件、专业工具、关键零备件和定制包装。3D打印远征工具包配有工作所需的设备、软件、工具，以及获得授权的设计文件数据库，能够帮助士兵在战场上进行制造，满足快速修理的需求。该工具包还使得土兵能够对经工程师验证的解决方案加以创新，以满足于作战和任务相关的特殊需求。

海军方面，美国海军正在加大规划力度，积极推进3D打印技术在保障领域的应用。海军为此制定了3D打印技术发展路线图，内容包括：发展合格检验和监督增材制造部件的能力；使增材制造数字化框架和工具标准化；为海军建立一个先进的综合数字化制造网络；为海军人员创造更好地接受3D打印教育、培训并取得证书的机会；在采办执行办公室内增设一名增材制造协调员。增材制造具有惊人的灵活性，能极大地提高海军舰队寿命周期后勤效能，提高作战物资可获得性，降低成本。美国海军在“埃塞克斯”号两栖攻击舰（LHD-2）上在北卡罗来纳州切里波因特海军陆战队航空基地的飞机维修过程中，使用了增材制造技术。在海军舰队战备中心和地区维修中心，增材制造正在以多种方式得以应用，有利于提升舰队战备状态，并节约时间和成本。海军正在对预期的战备状态提升进行海上试验，为使增材制造能够生产普适型零件，而不是原型件，海军研究办公室已求助于工业部门。

空军方面，空军装备司令部制定了增材制造实施计划，该计划采取周密措施，以灵活和相互协调的策略解决空军在增材制造方面遇到的各种问题。增材制造实施计划通过整个空军层面的标准化设备、工艺、工具和规程确立了坚实的基础。在涵盖全球各地的空军基地、维护和维修部门、工程兵部队和众多武器系统项目办公室的大型网络中，建立有效的增材制造网络需要新方法，应借鉴维修网络一体化工作经验，并允许空军采取灵活的部署策略。空军对未来作战概念中增材制造技术的运用场景进行了构想。即是空运一个满载聚合物的集装箱，空投至孤立的前沿哨所直接制造3D打印零件。打印所需的文件通过安全的空间链接发送，打印机在数小时内就生产出关键零件。


五、3D打印技术存在的不足及未来发展趋势
3D打印技术目前仍处于初步发展阶段，现阶段在应用上仍面临众多瓶颈和挑战。一是成本高，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料有限，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率仍不能达到传统制造的水平，目前3D打印成品的精度还不尽如人意，打印效率还远不能适应大规模生产的需求。

3D打印技术发展速度很快，根据国际快速制造行业权威报告《沃勒斯报告2011》发布的调查结果，全球3D打印行业产值在1988-2010年保持着26.2%的年均增长速度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。随着智能制造的进一步发展成熟，3D打印技术在速度、精度、材料上都将获得改善，成本上也将进一步降低，将在装备维修保障领域得到广泛应用


六、提升保障业务指挥管理系统水平
为适应未来信息化、网络化作战需要，日本非常重视军事信息系统包括维修保障信息系统的建设，将其作为发展信息化武器装备体系的首要任务。日本的维修保障业务信息系统包括了装备品管理系统、维修管理信息系统、通用物资管理系统、车辆使用状况系统、库存管理系统、供需控制系统等。从管理层级上形成了中央（总部）信息系统、自卫队信息系统和基层团级系统。2015年，日本海上自卫队补给本部部长村川丰参加了“海上自卫队联合修造补给系统”启用仪式。该系统由富士通公司研制，旨在将各种独立的修造、补给系统整合，以提高修造补给的效率与安全，消减系统运营成本。海上自卫队联合修造补给系统由军需控制系统、舰船补给系统、航空补给系统和修造业务系统4大类业务信息系统集合而成。预计新系统每年可为海上自卫队节约6.3亿日元的经费支出和14.5万h的业务处理时间。该系统的主要任务有3个：迅速准确地完成修造与补给业务；确保系统安全在内的信息安全；强化充分利用信息技术的信息共享态势，通过各系统、数据库集成节约保障成本。