深度解析3D打印技術對武器裝備發(fā)展的影響
3D打印技術與傳統(tǒng)制造相比，3D打印具有小批量制造成本低、速度快，復雜制造能力好，材料利用率高，適應性好等優(yōu)點，應用于武器裝備發(fā)展時能夠顯著縮短武器裝備研制時間，減少研制費用，提高武器裝備性能，降低武器裝備成本，提高維修保障時效性與精度。在世界各國的廣泛關注與大力推進下，近年來3D打印技術的發(fā)展與應用不斷取得突破，顯示了良好的軍事應用前景，將對武器裝備的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。
一、3D打印技術不斷取得突破，軍事應用取得重要進展
近年來，3D打印技術日益受到重視，關鍵技術研究不斷取得突破，性能不斷提升，在軍事領域的應用取得重要進展，進入發(fā)展與應用的快車道。
1.3D打印技術日益受到重視，成為各國全 力搶奪的戰(zhàn)略重點隨著快速成型技術、材料技術等關鍵技術的發(fā)展，3D打印技術的應用前景日益凸顯，成為多個國家的發(fā)展重點。美國將3D打印技術列為國家重點發(fā)展技術，集全國之力進行發(fā)展，搶占發(fā)展先機。2012年，美國在重整制造業(yè)計劃中將3D打印技術列為重點發(fā)展的11項技術之一，并作為其“全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡”首家研究中心的主要研究方向。“全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡”是美國“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡”計劃的產(chǎn)物，由15家制造業(yè)創(chuàng)新研究所組成，主要研究對美國制造業(yè)發(fā)展具有重要作用的創(chuàng)新技術。 我國也高度重視3D打印技術，采取多種措施推動其快速發(fā)展。總裝備部、國防科工局、國家自然科學基金委員會等部門對鈦合金結構件激光快速成形進行了持續(xù)多年的重點資助，取得了顯著成績。科技部正在制定3D打印技術發(fā)展戰(zhàn)略，必將進一步推動其快速發(fā)展。
2.3D打印技術不斷取得突破，技術成熟度及性能不斷提升
近年來，3D打印技術的研究穩(wěn)步推進，取得系列重要進展，技術成熟度及性能不斷提升。美國3D打印技術研究取得重要進展，技術成熟度及性能顯著提升，初步達到工業(yè)應用水平。 2012年，美國Sciaky公司的新型電子束3D打印 技術取得重要突破，具備大型金屬部件加工能力，美國國防部和洛克希德·馬丁公司準備將其用于生產(chǎn)F-35戰(zhàn)斗機的鈦、鉭、鉻鎳鐵合金等高價值材料的高品質(zhì)零部件，前期檢測全部達到要求。 3DSystems公司的激光熔融技術取得重要進展，美國空軍將在此基礎上開發(fā)用于打印F-35戰(zhàn)斗機和其他武器系統(tǒng)的3D打印機。
美國太空制造 公司的太空3D打印技術的成熟度達到6級，具備在太空中的模型或樣機演示能力，2012年11月獲得NASA的第二階段合同，進一步將技術成熟度提升到8級，完成實際系統(tǒng)并通過試驗和驗證，最終具備應用于太空站維修、升級和延壽，載荷升級改進，硬件太空制造等方面的能力，2014年向國際空間站運送首臺3D打印機。 我國的激光快速成形3D打印技術已達到世界領先水平。北京航空航天大學已掌握使用激光快速成形技術制造超過12平方米的復雜鈦合金構件的技術，并成功應用于武器裝備研制，相關成果“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”獲2012年度國家技術發(fā)明獎一等獎。西北工業(yè)大學掌握了一次打印超過5米長的鈦金屬飛機部件的3D打印技術[9]。
3.3D打印技術應用不斷拓展與深化，技術效益不斷發(fā)揮
隨著技術成熟度及性能的提升，3D打印技術近年來應用領域不斷拓展，在武器裝備設計、制造、維修等領域發(fā)揮日益重要的作用。 設計方面，美國NASA在設計新一代大型運載火箭的核心部件時，利用大型Makerbot3D打印機進行模具成型，制造設計部件。此3D打印機采用選擇性激光熔煉技術，用激光將金屬粉末加熱成型，相比數(shù)控機床制造，既可以縮短制造時間，又可以提高制造精度，降低制造成本，一舉多得。 制造方面，3D打印技術在大型、復雜部件制造等方面的應用不斷取得突破。
2002年，美國開始將激光成形鈦合金零件裝上戰(zhàn)機試驗。但由于無法解決制造過程中鈦合金變形、斷裂等技術難題，美國始終只能生產(chǎn)小尺寸鈦合金部件和對鈦合金零件表面進行修復[8]。近年，美國積極開展3D打印技術生產(chǎn)大型鈦合金部件的研究。美國軍方和軍 工企業(yè)正與3DSystems和Sciaky等3D打印技術公司合作，推進大尺寸鈦合金3D打印技術在戰(zhàn)斗機制造上的應用。
2013年，美國開始使用3D打印技術批量生產(chǎn)噴氣發(fā)動的燃料噴嘴。在3D打印技術應用于輕型物質(zhì)制造方面，2013年，美國“固體概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金屬gun，能夠連續(xù)發(fā)射50發(fā)子彈并保持完好。 維修方面，美國已開始部署基于3D打印技術的維修保障裝備。2012年7月和2013年1月，美軍部署了兩個移動遠征實驗室，用于裝備維修保障。此移動遠征實驗室是一個20英尺長的標準集裝箱，可通過卡車或直升機運送至任何地點，利用3D打印機和計算機數(shù)字控制設備將鋁、塑料和鋼 材等原材料加工成所需零部件。
此舉可以在戰(zhàn)場快速生成需要的零部件，甚至快速設計和生產(chǎn)急需的裝備，實現(xiàn)及時精確保障。此外，美國陸軍開發(fā)了一種輕質(zhì)便宜的3D打印機，可以放到背包中，用于在戰(zhàn)場中快速、便宜地制造替換零件。 我國3D打印技術在武器裝備中的應用已取得一定成績，是目前世界上唯一掌握鈦合金大型主承力構件激光快速成形制造技術并工程應用的國家。北京航空航天大學和西北大學的3D打印技術已成功應用于多個國產(chǎn)航空項目的原型機制造。我國自主研發(fā)的大型客機C919的主風擋窗框、大中央翼根肋，以及正在設計的新型戰(zhàn)斗機的鈦合金主體結構都采用激光快速成形技術制造，有效降低了飛機的結構重量，提高了戰(zhàn)機的推重比，并縮短了設計時間，在新型戰(zhàn)斗機的快速研制中發(fā)揮了重要作用。
總體來看，3D打印技術的發(fā)展已取得重要進展，部分領域已具備較高的技術水平，取得初步的應用成果，顯示了良好的發(fā)展前景。但3D打印技術尚處于技術發(fā)展階段，還存在可打印原材料少，打印精度較低、速度較慢，打印成本高等問題，制約了其在武器裝備中的進一步應用。隨著材料技術、高精度控制技術、高效制造技術等關鍵技術的發(fā)展與進步，3D打印技術必將在武器裝備發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。
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