隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展和打印材料種類不斷增多,,3D打印在裝備維修保障領(lǐng)域已呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景,。針對3D打印技術(shù)的快速發(fā)展,,科學(xué)分析了3D打印技術(shù)為信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障帶來的發(fā)展機(jī)遇,,系統(tǒng)研究了3D打印技術(shù)發(fā)展對信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障的影響,,提出了推進(jìn)3D打印技術(shù)在裝備維修保障領(lǐng)域應(yīng)用的對策建議,。
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2017-11-24 15:14 上傳
近年來,, 3D打印技術(shù)獲得迅速發(fā)展,受到世界各國的廣泛關(guān)注,,美國科學(xué)家將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”之一,,有的甚至期望3D打印這種神奇的技術(shù)能帶來“ 第三次工業(yè)革命“ 。隨著3D打印技術(shù)在武器裝備設(shè)計(jì),、 制造和使用保障等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,,可以預(yù)見,在信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障領(lǐng)域,,3D打印技術(shù)將具有廣泛的應(yīng)用前景,,應(yīng)用3D打印技術(shù)對損傷部件進(jìn)行修復(fù)和快速打印維修備件,將有力推動(dòng)裝備維修保障的變革創(chuàng)新,。研究3D打印技術(shù)對信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障的影響,,提出利用3D打 印技術(shù)的措施建議,將為提升信息化條件下裝備維修保障能力和推動(dòng)裝備維修保障變革創(chuàng)新提供重要技術(shù)手段和支撐,。
1 3D打印技術(shù)帶來的機(jī)遇
信息化戰(zhàn)爭的特點(diǎn)使得裝備維修保障環(huán)境更加突變,、保障任務(wù)更加繁重、保障需求更為多樣和備件消耗難以預(yù)測,,給維修保障狀態(tài)轉(zhuǎn)換和快速機(jī)動(dòng),、維修保障體系創(chuàng)新發(fā)展、定制化保障和保障資源優(yōu)化配置提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn),。3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用,,為裝
備維修保障提供了難得的發(fā)展機(jī)遇。
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2017-11-24 10:55 上傳
1)3D打印的適應(yīng)性,, 可顯著降低裝備保障力量的專業(yè)化門檻,,為實(shí)現(xiàn)按需保障提供重要技術(shù)手段。未來信息化戰(zhàn)爭將是陸,、海,、空,、天、電等部隊(duì)的一體化聯(lián)合作戰(zhàn),, 裝備維修器材,、保障設(shè)備、 保障技術(shù),、保障人員等保障要素多元化趨勢更加明顯,,與參戰(zhàn)部隊(duì)類型多樣相適應(yīng),戰(zhàn)場裝備保障力量必然多元構(gòu)成,,利用3D打印技術(shù),,根據(jù)任務(wù)需要, 按照打印需求進(jìn)行保障,,可大量減少生產(chǎn)和技術(shù)保障人員數(shù)量,,降低保障力量的專業(yè)化門檻。美軍在阿富汗戰(zhàn)場上曾部署了3套3D打印設(shè)備,,每套3D打印設(shè)備采用國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱包裝,, 可通過空運(yùn)或公路運(yùn)輸方式直接投送到前方戰(zhàn)場,只需要2名操作人員就可完成單兵防護(hù)裝 備和武器零部件的現(xiàn)場生產(chǎn),。
2)3D打印的便捷性及材料的可攜行性,,能夠有效緩解保障需求多樣和備件攜行不便的困難,為實(shí)現(xiàn)抵前跟隨保障提供重要技術(shù)手段,。信息化裝備系統(tǒng)復(fù)雜,,零部件多,任何一個(gè)零部件出問題,, 都可能影響裝備效能發(fā)揮和功能失效,。信息化戰(zhàn)爭節(jié)奏加快、戰(zhàn)場破壞性增大等特點(diǎn)加劇了戰(zhàn)場維修保障需求,, 提高了備件器材消耗速度,,使裝備維修保障備件器材供應(yīng)更加困難,任務(wù)更為繁重,,傳統(tǒng)的戰(zhàn)場搶修,、拼修在得不到有效備件保障情況下,很難滿足維修保障需求,。3D打印機(jī)攜行便捷,,打印材料易于攜帶和臨時(shí)就近采購,通過抵前和跟隨保障,,能夠盡量滿足保障需求,提高維修保障效率,。美軍2003年部署的“零件野戰(zhàn)醫(yī)院” 系統(tǒng),,采用激光快速成形技術(shù)生產(chǎn)備件,,不到2a時(shí)間就生產(chǎn)了1萬多新備件, 很好地滿足了美軍海外任務(wù)的執(zhí)行,。
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3)3D打印的快速性,, 可顯著降低保障資源準(zhǔn)備時(shí)間和后送時(shí)間, 為實(shí)現(xiàn)即時(shí)保障提供重要技術(shù)手段,。信息化戰(zhàn)爭作戰(zhàn)行動(dòng)迅速,,交戰(zhàn)雙方力求充分發(fā)揮各自信息技術(shù)優(yōu)勢,在最短時(shí)間內(nèi),,以最小代價(jià)速戰(zhàn)速?zèng)Q,,這種快速作戰(zhàn)模式要求裝備保障必須快速、及時(shí),、高效,。3D打印速度快,能夠?qū)崿F(xiàn)“ 需要即獲取,,損傷即修復(fù)”的即時(shí)保障。
3D打印已經(jīng)具備快速打印和大尺寸部件打印的 能力,。目前,美國用最先進(jìn)的3D打印機(jī),,1h就能夠制造出總質(zhì)量約18kg的武器,而且能夠打印出長約為5.8m,、寬與高約為1.2m的物品, 中國也可打印長約4m,、寬與高約為2m的部件 。3D打印機(jī)能夠分散制造,, 通過電子制圖、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,、激光掃描、材料熔化等一系列技術(shù),,可快 速把部件的電子模型圖變成實(shí)物,,大大縮短保障時(shí)間。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來看,,使用相同數(shù)量的耗材制造零件,,3D打印機(jī)的生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)方法 的3倍,。
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4)3D打印的定制化功能, 可為實(shí)現(xiàn)新作戰(zhàn)空域的伴隨保障提供重要技術(shù)手段,。信息化戰(zhàn)場多維化,、立體化擴(kuò)大了裝備維修保障空間,從傳統(tǒng)的陸地,、海洋,、空中已擴(kuò)展至臨近空間和太空等空域, 要適應(yīng)這種新特點(diǎn),,就必須發(fā)展相應(yīng)維度的裝備維修保障手段,。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)定制化保障和無備件保障,通過在維修保障方倉配備3D打印機(jī),,能夠有效解決空間站,、宇宙飛船和遠(yuǎn)洋艦船等作戰(zhàn)空域面臨的伴隨保障難題, 為解決戰(zhàn)場多維,、保障點(diǎn)多和散的問題提供有效的保障手段。
美國國家研究委員會(huì)2014年7月18日發(fā)布《太空3D打印》報(bào)告認(rèn)為,,3D打印技術(shù)能夠?yàn)楹教烊蝿?wù)帶來積極幫助,如在軌制造替換零件,,不必頻繁向太空運(yùn)送備件或替換零件,,減少發(fā)射需求,;太空3D打印可以削減原料成本, 減小有效載荷尺寸,。美國海軍設(shè)想未來將海上補(bǔ)給艦改造為大型3D打印船,,可根據(jù)遠(yuǎn)洋艦船保障需要進(jìn)行實(shí)時(shí)生產(chǎn)制造,, 使制造過程與運(yùn)輸過程同步,,成為為海軍艦隊(duì)提供作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)備件保障的海上浮動(dòng)工廠。
2 3D打印技術(shù)對信息化戰(zhàn)爭裝備
保障產(chǎn)生的影響 未來信息化戰(zhàn)場, 對裝備維修保障能力提出了更高的要求,, 將面臨戰(zhàn)場搶修,、備件快速制造、部件可靠性維修性再設(shè)計(jì),、維修保障模式創(chuàng)新、修理預(yù)案設(shè)置等諸多維修保障問題,。從長遠(yuǎn)發(fā)展和應(yīng)用看,,3D打印技術(shù)在裝備維修領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景,能夠?yàn)樾畔⒒瘧?zhàn)爭裝備維修保障提供重要技術(shù)手段,。
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1)提升裝備快速維修能力,。3D打印具有材 料制備、零備件一體化特點(diǎn),,可現(xiàn)場加工,、現(xiàn)場成型、快速替換,,與傳統(tǒng)維修需要后送加工,、戰(zhàn)場前遞相比, 節(jié)奏大為縮短,,維修更加快速,,還具有前所未有的制造柔性。一是3D打印可數(shù)字化制造,,大幅提升了維修保障效率,。傳統(tǒng)的部件和備件制造要依靠模具,工序耗時(shí)長,,利用3D打印技術(shù),,可實(shí)現(xiàn)“一個(gè)人就是一家工廠”,只要數(shù)小時(shí),,就可以形成修改后的數(shù)字化“模具”三維數(shù)據(jù),,并迅速投入生產(chǎn),從而大大提升裝備維修保障效率,。二是可針對裝備上無法拆卸的部件進(jìn)行原位快速修復(fù),。在故障部件能夠局部可觸的情況下,可用3D打印快速修復(fù)故障部位,。美國的AV-8鷂式戰(zhàn)機(jī)在起飛過程中發(fā)生故障,,硬著陸時(shí)戰(zhàn)機(jī)鼻錐輕微受損,工作人員采用3D數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和增值材料技術(shù)對其進(jìn)行原位修復(fù),, 大大節(jié)省了維修成本和時(shí)間 ,。三是可快速增材再制造修復(fù)損傷零部件。針對裝備使用過程中損傷的零部件,利用3D打印技術(shù),,建立損傷部位的再制造模型,可實(shí)現(xiàn)零件的快速增材再制造成形,, 恢復(fù)其形狀尺寸及理化性能,,甚至使零部件性能在恢復(fù)后得到提升 ,。
2)輔助裝備維修性設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)能夠 快速根據(jù)零部件設(shè)計(jì)圖打印出零件模型,,無需進(jìn)行模具開發(fā),, 生產(chǎn)工藝簡單,可推廣應(yīng)用于裝備維修性設(shè)計(jì),。一是在裝備設(shè)計(jì)階段,,可通過3D打印技術(shù)快速生成裝備模型,對裝備維修性中的可達(dá)性,、拆解性等進(jìn)行驗(yàn)證,。二是3D打印可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀零件的“自由制造”,產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度對工藝影響不大,,可以解決過去傳統(tǒng)加工方式難以制造的零件成形,,從而改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提升裝備的維修性,。三是根據(jù)部件可靠性,、維修性指標(biāo),可以設(shè)計(jì)一些戰(zhàn)損替代部件,,適當(dāng)降低備件指標(biāo)性能盡可能滿足戰(zhàn)場基本需求,。根據(jù)這個(gè)修理理念, 廠家可設(shè)計(jì)出專門供戰(zhàn)場臨時(shí)替換的替代備件三維數(shù)學(xué)模型,。
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3 )用于戰(zhàn)時(shí)快速制造備件和維修工具,。隨著裝備系統(tǒng)日益復(fù)雜,導(dǎo)致裝備零部件種類多,、數(shù)量大,,而且損傷類型多樣,無法及時(shí)供應(yīng)備件和維修工具,,3D打印可以快速實(shí)現(xiàn)備件和工具制造,,滿足戰(zhàn)損裝備應(yīng)急搶修需求,。一是可快速制造戰(zhàn)時(shí)裝備備件。戰(zhàn)時(shí),, 技術(shù)保障人員可隨時(shí)利用儲(chǔ)存的部件三維數(shù)字圖像,,快速打印出備件,為戰(zhàn)損裝備應(yīng)急搶修提供有效的解決方案,。二是可快速生產(chǎn)戰(zhàn)時(shí)維修工具設(shè)備,。利用3D打印技術(shù),一線維修人員可根據(jù)預(yù)先準(zhǔn)備的數(shù)字化圖紙,,現(xiàn)場打印維修所需的維修工具或設(shè)備,,必要時(shí)還可由后方設(shè)計(jì)人員根據(jù)前線維修需求臨時(shí)設(shè)計(jì)新的維修工具和設(shè)備,再利用前線部署的3D打印機(jī)制造定制的維修工具,。美國航天局正積極探索在太空任務(wù)中使用3D打印技術(shù), 為宇航員打印所需工具和零備件,。
4)推動(dòng)裝備維修保障模式創(chuàng)新發(fā)展,。3D打 印技術(shù)是實(shí)現(xiàn)靠前維修、戰(zhàn)損即維修的重要技術(shù)手段,,在伴隨保障,、靠前保障和裝備巡修方面越來越體現(xiàn)其優(yōu)勢。
一是使靠前維修成為裝備維修保障的重要手段,。3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,, 使裝備維修保障機(jī)構(gòu)能最大限度地靠近作戰(zhàn)地域進(jìn)行配置,及時(shí)為一線作戰(zhàn)部隊(duì)提供其所需要的各種維修服務(wù),,確保部隊(duì)具有持久的戰(zhàn)斗力,。
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二是使伴隨保障成為新作戰(zhàn)空域維修保障的主要手段。信息化戰(zhàn)爭條件下,,未來作戰(zhàn)范圍更加廣闊,,作戰(zhàn)空間更加多樣, 太空作戰(zhàn)和遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)等新的作戰(zhàn)樣式將給部隊(duì)裝備維修保障帶來更大困難,,通過配備3D打印設(shè)備進(jìn)行伴隨保障,,能夠突破空間與地域的限制, 更好地解決臨時(shí)搶修中備件“帶的用不上,,用的沒帶上”等突出問題,。
三是使裝備巡修成為提升部隊(duì)裝備戰(zhàn)備完好的有效手段。目前,,部隊(duì)裝備巡修工作量大,、效率低,每次巡修只能針對某幾種裝備,, 發(fā)揮作用有限,,如果部隊(duì)開展巡修時(shí)能夠配備3D打印機(jī)和打印材料,,既能滿足部隊(duì)維修需要,又能增加維修的適應(yīng)范圍,,從而大大提高裝備巡修效率,。
5 )推動(dòng)裝備維修方案的科學(xué)設(shè)置。在裝備維修保障體系中,,裝備修理預(yù)案的設(shè)定對裝備維修保障能力提升具有重大影響,,利用3D打印技術(shù), 裝備生產(chǎn)設(shè)計(jì)單位可根據(jù)部件可靠性,、維修性和保障性等指標(biāo),,預(yù)先為裝備和部件設(shè)計(jì)好3D打印修理預(yù)案。
一是對部件按修理等級進(jìn)行分類,, 研究確定哪些是關(guān)鍵部件,,確定部件損傷概率、部件修理響應(yīng)時(shí)間,、部件打印時(shí)間,、部件材料特性和部件可拆卸性等指標(biāo),并按照這些特點(diǎn)對可3D打印的關(guān)鍵零部件進(jìn)行分類,。
二是設(shè)置部件的修理手段,,修理手段有很多種,如直接更換備件,、3D打印快速增材再制造成形,、3D打印原位修復(fù)、 拼修等,。三是設(shè)置多級修理預(yù)案,,根據(jù)戰(zhàn)場情況、設(shè)計(jì)情況和使用情況,,把3D打印修理技術(shù)手段與故障類別對應(yīng)起來,,根據(jù)戰(zhàn)場的緊急程度,設(shè)置多級修理預(yù)案,,提高裝備維修效率,。
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3 推進(jìn)3D打印技術(shù)應(yīng)用于裝備維
修保障的思考 著眼于維修保障能力的快速提升和裝備維修保障體系的深刻變革,為不斷縮短我國與軍事強(qiáng)國維修保障能力差距,, 應(yīng)在國家和軍隊(duì)數(shù)字制造發(fā)展計(jì)劃框架下,,充分把握3D打印技術(shù)發(fā)展在裝備維修保障領(lǐng)域的應(yīng)用前景,進(jìn)行以下思考,。
1)理清軍事需求,。3D打印技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的軍事需求是指導(dǎo)我軍3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于裝備維修保障領(lǐng)域的重要前提。在總體需求方面,,明確3D打印技術(shù)是軍隊(duì)裝備維修保障的重要技術(shù)手段,,將成為部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的倍增器,,對信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障是一種顛覆性的創(chuàng)新,要找準(zhǔn)3D打印技術(shù)在裝備維修保障領(lǐng)域應(yīng)用的方向和關(guān)鍵技術(shù)突破點(diǎn),;在作戰(zhàn)任務(wù)需求方面,,從裝備維修保障任務(wù)著手,確定3D打印設(shè)備的配備需求,, 打印材料的采購需求,,零部件三維數(shù)字模型需求; 在技術(shù)發(fā)展需求方面,,從基于互聯(lián)網(wǎng)與開源思想的數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展視角,,確定我軍3D打印技術(shù)、材料技術(shù),、軟件研發(fā)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn),。
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2017-11-24 10:57 上傳
2)明確發(fā)展目標(biāo)。依據(jù)3D打印技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和我國3D打印技術(shù)在維修保障領(lǐng)域應(yīng)用前景與需求,,明確近遠(yuǎn)期目標(biāo),。近期目標(biāo)(2015-2020年) 是發(fā)展金屬成形、非金屬成形等3D打印技術(shù),,加快推進(jìn)3D打印由快速原型向快速模具、快速零件,、快速工具方向發(fā)展,,進(jìn)一步提升3D打印精度和速度,降低打印成本,,研發(fā)更多打印材料,,提高3D打印在裝備維修保障中的修理比重。遠(yuǎn)期目標(biāo)(2020-2030年)是發(fā)展智能結(jié)構(gòu)和生物材料成形等3D打印技術(shù),,重點(diǎn)突破陶瓷材料,、生物活性材料3D打印,加快推進(jìn)3D打印由快速原型制造到產(chǎn)品開發(fā)和批量制造,, 初步具備向太空配備3D打印維修方倉的能力和就地取材進(jìn)行零部件3D打印的能力,。
3 )制定技術(shù)發(fā)展路線。廣泛開展機(jī)械制造,、自動(dòng)控制,、計(jì)算機(jī)和材料科學(xué)等學(xué)科研究,加強(qiáng)CAD/CAM技術(shù),、 數(shù)據(jù)處理技術(shù),、材料技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等技術(shù)的研究與應(yīng)用,;加強(qiáng)3D成形工藝的基礎(chǔ)技術(shù),、過程控制,、過程建模與分析研究; 開展數(shù)字化設(shè)計(jì)與分析,、復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能件的3D打印制造,、生物增材制造、超精密增材制造等3D打印前沿性技術(shù)研究,;繼續(xù)發(fā)展基于高能束的立體光刻造型工藝技術(shù),、選擇性激光燒結(jié)工藝技術(shù)和薄形材料選擇性切割技術(shù)、基于微滴噴擠的噴射快速成形技術(shù),、 選擇性熔融堆積技術(shù)等,;大力發(fā)展3D打印精度控制技術(shù)、高效制造技術(shù),、復(fù)合材料增材制造技術(shù)等技術(shù),。
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4)實(shí)施舉措建議。
一是加強(qiáng)組織管理,,為3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用創(chuàng)造政策支撐條件,。從國家層面重視對3D打印技術(shù)發(fā)展的規(guī)劃設(shè)計(jì),做到統(tǒng)一發(fā)展規(guī)劃,、統(tǒng)一資源配置,、統(tǒng)一技術(shù)體制、統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),,確保3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的科學(xué)實(shí)施,,防止規(guī)劃亂象,標(biāo)準(zhǔn)不一,。
二是開展基礎(chǔ)研究和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究,,為3D打印技術(shù)發(fā)展與在裝備維修保障領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。在國家和軍隊(duì)數(shù)字制造發(fā)展計(jì)劃框架下,,加強(qiáng)制造原理,、方法、工藝,、材料的研究創(chuàng)新,,研發(fā) 出更多可供3D打印的材料,進(jìn)一步提高3D打印的成形精度與打印速度,;推動(dòng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范軍民一體化,,研究材料性能標(biāo)準(zhǔn)、軟件接口標(biāo)準(zhǔn),、制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),、制造工藝規(guī)范和元器件性能標(biāo)準(zhǔn)等,加快建立3D打印技術(shù)在維修保障領(lǐng)域應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系,。
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三是加強(qiáng)3D打印材料和軟件技術(shù)研發(fā),,滿足更多零備件打印需求,。3D打印材料與軟件技術(shù)的研發(fā)和突破是3D打印技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ), 也是滿足備件打印和部件修復(fù)再制造的根本保證,,要加強(qiáng)陶瓷及復(fù)合材料,、智能材料與結(jié)構(gòu)、生物材料與活性器官再造等材料的研制,,形成完備的打印材料體系,;要推進(jìn)我國數(shù)字化、智能化水平,,加強(qiáng)3D打印軟件設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā),。
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2017-11-24 10:57 上傳
4 結(jié)束語
3D打印技術(shù)之所以能引起全球高度關(guān)注, 是因?yàn)樗_實(shí)是一項(xiàng)顛覆性的創(chuàng)新技術(shù),,很可能帶動(dòng)新一輪工業(yè)革命,。3D打印技術(shù)已經(jīng)在武器裝備設(shè)計(jì)、制造和使用保障等領(lǐng)域開展了廣泛應(yīng)用,,在未來的信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障領(lǐng)域,,必將發(fā)揮舉足輕重的作用。要著眼我軍裝備維修保障需求,,加強(qiáng)組織管理,,深入廣泛開展基礎(chǔ)研究和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究,明確3D打印技術(shù)發(fā)展目標(biāo),,制定3D打印技術(shù)發(fā)展路線,, 為提升信息化條件下裝備維修保障能力和推動(dòng)裝備維修保障變革創(chuàng)新提供重要技術(shù)手段和理論支撐。
延伸閱讀:
南極熊深度解析——3D打印技術(shù)對武器裝備發(fā)展的影響
編輯:南極熊
作者:郭繼周,, 吳 集, 鄧啟文(國防科技大學(xué)國防科技與武器裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究中心)
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