3D打印技術對于縮短武器裝備研發時間的思考
3D打印技術是增材制造技術的俗稱，是快速成形技術的一種，它是通過三維設計數據采用材料逐層累加，以及激光燒結、光照等固化手段制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除（切削加工）技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。與傳統制造相比，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，適應性好等優點，應用于武器裝備發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，將對武器裝備的發展產生深遠影響。
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，進入發展與應用的快車道。
（一）3D打印技術日益受到重視，成為各國全力搶奪的戰略重點
隨著快速成型技術、材料技術等關鍵技術的發展，3D打印技術的應用前景日益凸顯，成為多個國家的發展重點。
美國將3D打印技術列為國家重點發展技術，集全國之力進行發展，搶占發展先機。2012年，美國在重整制造業計劃中將3D打印技術列為重點發展的11項技術之一，并作為其“全美制造業創新網絡”首家研究中心的主要研究方向。“全美制造業創新網絡”是美國“制造創新國家網絡”計劃的產物，由15家制造業創新研究所組成，主要研究對美國制造業發展具有重要作用的創新技術。
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打印技術發展戰略，必將進一步推動其快速發展。
（二）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F-35戰斗機的鈦、鉭、鉻鎳鐵合金等高價值材料的高品質零部件，前期檢測全部達到要求。3D Systems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用于打印F-35戰斗機和其他武器系統的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年度國家技術發明獎一等獎。西北工業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。
（三）3D打印技術應用不斷拓展與深化，技術效益不斷發揮
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Makerbot 3D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，美國始終只能生產小尺寸鈦合金部件和對鈦合金零件表面進行修復。近年，美國積極開展3D打印技術生產大型鈦合金部件的研究。美國軍方和軍工企業正與3D Systems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打印技術批量生產噴氣發動的燃料噴嘴。在3D打印技術應用于輕型物質制造方面，2013年，美國“固體概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金屬手槍，能夠連續發射50發子彈并保持完好。
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。此舉可以在戰場快速生成需要的零部件，甚至快速設計和生產急需的裝備，實現及時精確保障。此外，美國陸軍開發了一種輕質便宜的3D打印機，可以放到背包中，用于在戰場中快速、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航空項目的原型機制造。我國自主研發的大型客機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，提高了戰機的推重比，并縮短了設計時間，在新型戰斗機的快速研制中發揮了重要作用。
總體來看，3D打印技術的發展已取得重要進展，部分領域已具備較高的技術水平，取得初步的應用成果，顯示了良好的發展前景。但3D打印技術尚處于技術發展階段，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展與進步，3D打印技術必將在武器裝備發展中發揮更大的作用。
二、3D打印技術在軍事領域的應用將對武器裝備發展產生深遠的影響
受技術、成本的限制，3D打印技術難以取代大規模流水線生產，但其不需要模具，可實現從設計到零件的直接轉化，完成快速、自由的制造，將在武器裝備的設計，復雜、昂貴部件的制造，以及維修保障等方面得到廣泛的應用，對武器裝備發展產生積極的影響。
（一）小批量制造成本低、速度快，可顯著降低武器裝備研制風險、縮短研制時間
武器裝備越來越復雜，研制時只有通過多輪的設計-原型機生產-試驗-修改設計-原型機再生產-再試驗過程，通過原型機重復試驗才能及時發現問題并修正。但原型機的產量極小，采用傳統制造方式的時間長、成本高，造成武器裝備研制的周期長，費用高。美國F-35戰斗機因為研制過程中的反復實驗與制造，造成研制時間多次延長，研制費用顯著增加。3D打印技術不需要傳統制造方式的鑄錠、制胚、模具、模鍛等過程，可以快速、低成本地進行原型機生產，且整個生產過程數字化,可隨時修正、隨時制造，在短時間內進行大量的驗證性試驗，從而顯著降低研制風險、縮短研制時間、降低研制費用。NASA在“好奇號”火星車和新一代大型運載火箭設計中，已采用3D打印技術進行零件的快速制造。我國新型戰斗機起落架的關鍵零部件等也采用激光快速成形技術制造，極大地縮短了研制周期。
（二）復雜制造能力好，可完成傳統方法難以完成的制造，提高武器裝備性能
3D打印技術不需要預先制作模型，是真正的自由制造,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。如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動機渦輪葉片，內部材料和結構復雜的坦克裝甲等關鍵武器零部件。3D打印技術還能顯著提高零部件的關鍵性能。采用激光燒結技術制造的零件具有超過或者等同于鍛件的性能，特別是高溫、持久、抗疲勞等性能。如采用選擇性激光燒結技術制造的飛機起落架用超高強度鋼，其抗疲勞強度可比鍛件高20%，制造的渦輪葉片的900度疲勞強度可以比第二代單晶高40%。此外，3D打印技術還可用于局部成份控制，生產局部材料屬性（如折射率、導電性、磁性、硬度等）可控的功能梯度材料，使材料呈現出一些特殊的性能。DARPA正在資助用3D打印機打印梯度折射率透鏡（石英）的研究，可用于研制光學隱身斗篷。
（三）材料利用率高，可有效降低先進武器生產成本
傳統的制造是“減材制造”，通過在原材料坯件上進行切削、擠壓等操作，把多余的原料去除，加工出所需部件形狀，加工過程中去除的原材料難以回收利用，原材料浪費嚴重。如美國F-22戰斗機中尺寸最大鈦合金整體加強框零件的重量不足144千克，而毛坯模鍛件重達2796千克，鈦合金材料的利用率不到5.2%。昂貴材料的大量浪費，直接推高武器裝備的成本，使得武器裝備越來越難以承受。美國F-22戰斗機的成本超過2億美元，即使美國這樣的經濟強國也難以大量承擔。3D打印只在需要的地方添加原材料，材料利用率極高，能夠充分利用昂貴的原材料，顯著降低武器裝備的成本。如采用激光成形技術，C919飛機中央翼根肋的精坯重量僅為136千克，相比傳統制造方法1607千克的鍛件毛坯，可以節省91.5%的昂貴的鈦合金材料。
（四）具備快速制造不同零部件的能力，可有效提升武器裝備維修保障的實時性、精確性
當前，裝備維修保障主要采取冗余備份的方式，即預先準備大量零部件，在裝備受損時進行替換。由于裝備受損情況難以預測，這種方式容易產生保障不足和保障過量兩種情況。保障不足時將因為預先準備的配件少而影響武器裝備的及時修復，保障過量時將因為預先準備的配件過多而增大保障壓力。3D打印技術具備快速制造不同零部件的能力，只要有電子設計圖紙及打印材料，可根據需要快速打印出各種部件。應用于維修保障時，可在戰場快速打印出受損部件，及時精確地完成受損裝備的維修保障，快速恢復作戰能力。認識到3D打印技術在提高裝備維修保障中潛在的巨大作用，美國積極探索3D打印技術在裝備維修保障中的應用，于2012年和2013年部署了兩個基于3D打印技術的移動遠征實驗室，驗證基于3D打印技術的裝備維修保障。
三、結束語
加快3D打印技術的發展與應用是彌補我國當前武器裝備設計、制造與維修保障能力的不足，提升研發效率，降低制造成本，提高維修保障時效性與精度的有效途徑。我國3D打印技術在鈦合金大型復雜整體構件激光成形等方向居于世界領先地位，但整體水平仍有很大的提升空間。應著眼武器裝備長遠發展，統籌規劃，匯聚各方面力量推動3D打印技術的發展與應用，為實現“能打仗、打勝仗”的目標提供技術支撐。一是將3D打印技術作為我國制造業升級的關鍵，軍民融合、整合資源，集全國之力進行發展；二是針對當前存在的問題，加強材料技術3D打印核心關鍵技術研究，改變我國核心關鍵設備受制于人的狀況；三是積極探索3D打印技術在武器裝備建設中的應用，以應用牽引技術發展方向與重點。
(責任編輯：admin)
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