美軍系統(tǒng)研究3D 打印技術(shù)在裝備維修保障中的應(yīng)用

來源：賽斯智庫

近年3D 打印技術(shù)獲得迅速發(fā)展,，由于其在民用和軍用制造領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力,，受到世界各國高度重視,。英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一文中,，把3D打印技術(shù)列為第三次工業(yè)革命的重要標志之一,。美國科學(xué)家則將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”。在裝備維修領(lǐng)域3D打印技術(shù)同樣具有廣泛的應(yīng)用前景,，可用于裝備維修備件和工具的快速制造,。美軍已投入了大量資金發(fā)展3D打印技術(shù)，對美軍未來戰(zhàn)場裝備維修保障將產(chǎn)生重要影響,。

一,、3D打印技術(shù)的基本概念及發(fā)展現(xiàn)狀
3D打印的技術(shù)原理和傳統(tǒng)打印的原理基本相同。傳統(tǒng)打印是利用打印機把墨水噴涂到平面（紙,，布等）上以形成一副二維圖像,。而3D打印首先將采集物品的三維數(shù)據(jù)或?qū)⑵淙�維設(shè)計圖把墨水噴涂到平面（紙，布等）上,，化為一組數(shù)據(jù),，然后由打印機逐層分切，針對分切的每一層結(jié)構(gòu),，按層次打印,。3D打印技術(shù)通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來形成三維實體,，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同,，因此又被稱為增材制造技術(shù)。

作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù),，3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù),、機電控制技術(shù)、信息技術(shù),、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識,，具有很高的技術(shù)含量。3D打印機是3D打印的核心設(shè)備,，它是集機械,，控制及計算機技術(shù)等為一體的復(fù)雜機電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機械系統(tǒng),、數(shù)控系統(tǒng),、噴射系統(tǒng)和成形環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外,，新型打印材料,、打印工藝、設(shè)計與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分,。

目前,，3D打印技術(shù)已經(jīng)有十幾種不同的成形方法，通常將它們分為兩類：第一類是基于激光技術(shù)的成形方法,，如立體光刻,、紙疊層,、選擇性激光燒結(jié)，選擇性激光熔化等,；第二類是非激光技術(shù)的快速成型方法,，如熔絲沉積、三維打印,、掩膜光固化,、沖擊微粒制造、實體磨削固化等,。

在世界各國的大力推動下,，3D打印技術(shù)逐步走向成熟，在打印材料和打印精度方面都有較大的提高,。目前,，一般打印精度可以達到600dpi的精細分辨率，每層材料的厚度最小可以達到0.lmm,，最小特征大小可以做到0.1mm,。打印的材料從石料、金屬到高分子材料都可以適用,。此外,，打印的速度也有所提高，以較高分辨率打印,，每小時打印的垂直高度可以達到1英寸（約2.54cm）以上,。在歐美發(fā)達國家，3D打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式,。如在消費電子業(yè),、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域,，3D打印技術(shù)可以以較低的成本,，較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細的造型,。


二,、3D打印技術(shù)在武器裝備維修上的應(yīng)用前景
隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，3D打印的概念已經(jīng)不僅僅停留在工業(yè)設(shè)計階段,，而是在越來越多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用,，在武器裝備維修領(lǐng)域也有良好的應(yīng)用前景。

一是可用于戰(zhàn)時裝備維修備件快速制造,。戰(zhàn)時,，維修備件要依賴多級供應(yīng)渠道保障，少部分關(guān)鍵備件由部隊攜帶以及進行戰(zhàn)場預(yù)置,，用于戰(zhàn)損裝備應(yīng)急搶修,，但這部分備件數(shù)量有限,，戰(zhàn)時極易耗盡，且不能保證備件種類齊全,；大部分備件要依靠戰(zhàn)場后方的供應(yīng)基地以及廠家提供保障,，備件供應(yīng)時間較長，在戰(zhàn)時難以提供及時有效的保障,。在戰(zhàn)場上應(yīng)用3D打印技術(shù)可為戰(zhàn)損裝備應(yīng)急搶修提供一個有效的備件解決方案,。戰(zhàn)時僅需利用預(yù)先攜帶的裝備部件數(shù)據(jù)，利用3D打印機即可制造應(yīng)急備件,，快速恢復(fù)裝備戰(zhàn)斗能力,，能有效緩解備件供應(yīng)系統(tǒng)的負擔(dān)。

二是用于戰(zhàn)場生產(chǎn)裝備維修工具和設(shè)備,。由于戰(zhàn)時裝備使用和搶修面臨多種突發(fā)狀況,，前線維修人員配發(fā)的標準維修工具和設(shè)備有限，可能難以滿足戰(zhàn)時應(yīng)急搶修的需求,。利用3D打印技術(shù),，一線維修人員可根據(jù)預(yù)先準備的圖紙，現(xiàn)場打印維修所需的維修工具或設(shè)備,，必要時還可由后方設(shè)計人員根據(jù)前線維修需求臨時設(shè)計新的維修工具和設(shè)備,，再利用前線部署的3D打印機制造定制的維修工具。

三,、3D打印技術(shù)在武器裝備維修領(lǐng)域的優(yōu)勢
一是可快速制造復(fù)雜備件,。由于3D打印的過程與零部件的復(fù)雜程度無關(guān)，是真正的自由制造,，這是傳統(tǒng)方法無法比擬的,。以選擇性激光燒結(jié)技術(shù)為例，不需要預(yù)先制作支架,，以未燒結(jié)的松散粉末作為自然支架,，可以成型幾乎任意形狀的零件，對具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件特別有效,。這一特點格外適合制造復(fù)雜的鈦合金結(jié)構(gòu)部件,、具有復(fù)雜內(nèi)部冷卻通道的航空發(fā)動機渦輪葉片、內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的坦克裝甲等武器關(guān)鍵零部件,，這會極大地降低復(fù)雜武器裝備部件的生產(chǎn)成本,。

二是產(chǎn)品的單價與批量無關(guān)，特別適合于單件,、小批量零件的生產(chǎn),。這一點對于部署數(shù)量較少的武器的維修工作具有極高的應(yīng)用價值。以艦船為例,，很多國家的海軍部隊都部署有少量列裝數(shù)量少,、專用部件多,、維修保障難的艦船裝備。由于需求量小,，很多艦船裝備的維修備件無法依托批量生產(chǎn)線來制造,，只能采用零散生產(chǎn)部件的方式提供備件，成本高,，周期長,。而3D打印部件生產(chǎn)成本與生產(chǎn)批量無關(guān)，這就大大改善了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的問題,，對于維修保障少量列裝的武器裝備具有重要意義,。

三是生產(chǎn)周期短。從CAD設(shè)計到零件的加工完成只需幾小時到幾十個小時,，整個生產(chǎn)過程數(shù)字化,，可隨時修正、隨時制造,。這一特點使其特別適合于提高武器裝備部件的可靠性和維修性,。過去，武器裝備定型后,，其可靠性和維修性就固定下來,，要改進裝備部件設(shè)計，引入新技術(shù),，提升其可靠性和維修性則十分困難,。而3D打印技術(shù)可通過修改部件圖紙，快速調(diào)整裝備部件設(shè)計,，對改進和提高武器裝備部件可靠性和維修性有很高的價值,。

四是材料無浪費。傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)是在原材料坯件基礎(chǔ)上進行某種形式的切削,，擠壓等操作,，從而把多余的原料去除，最終加工出所需的部件形狀,。但是在這個過程中,，原材料就會出現(xiàn)損失,，而且是越昂貴的合金就越難進行回收利用,，提高了生產(chǎn)成本、浪費了寶貴的資源,，例如新一代戰(zhàn)斗機的鈦合金加工過程就要損失大量昂貴的航空鈦合金,。而3D打印技術(shù)不存在材料的浪費，在任何部件生產(chǎn)過程中,，所使用的粉末都變成了部件本身,，而沒有被使用的粉末,，依然可以繼續(xù)使用，這對于降低先進武器裝備備件的生產(chǎn)成本具有很高的經(jīng)濟價值,。


四,、3D打印技術(shù)在美軍武器裝備維修保障領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用
目前，美軍各軍種均在推動3D打印技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用,，在一些裝備的生產(chǎn)和維修上,，已經(jīng)開始利用3D打印技術(shù)來制造部件，為3D打印技術(shù)在未來裝備維修保障上的應(yīng)用提供了可以預(yù)期的前景,。

據(jù)美國《空天力量雜志》網(wǎng)站2016年12月刊文報道,。美國研究人員對增材制造在國防領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展空間進行了探討。
（1）進一步明確增材制造技術(shù)在裝備維修保障領(lǐng)域的作用意義和應(yīng)用前景,。研究認為,，增材制造對美軍后勤和保障工作具有深遠的意義。航空工業(yè)協(xié)會產(chǎn)品保障委員會主席表示,，增材制造是一項顛覆性技術(shù),，未來將重塑維修保障模式，降低分發(fā),、存儲和管理零備件庫存的成本和后勤負擔(dān),，提升系統(tǒng)的可用性，并且大幅提升軍隊的戰(zhàn)備水平,。

（2）加強增材制造技術(shù)研究管理,。美國逐步形成從國家、國防部和軍兵種層面的增材制造技術(shù)研究應(yīng)用工作體系,。在國家層面,，美國設(shè)有國家制造科學(xué)研究所，負責(zé)增材制造技術(shù)的開發(fā)和技術(shù)規(guī)劃與引領(lǐng),，自2015年起開始研究增材制造在裝備維修保障方面的應(yīng)用,。國防部設(shè)有國防部維護作業(yè)增材制造工作組，它與工業(yè)部門合作,，制定國防部綜合戰(zhàn)略愿景,，推動增材制造技術(shù)的協(xié)作性戰(zhàn)術(shù)實施，支撐國防部全球武器系統(tǒng)維修企業(yè),。在軍兵種層面,，陸海空軍也都規(guī)劃了增材制造技術(shù)發(fā)展的路線圖和具體的開發(fā)應(yīng)用計劃與工作安排,。
（3）加快3D打印技術(shù),、檢測認證技術(shù)等多種技術(shù)開發(fā)，為增材制造在裝備維修保障領(lǐng)域的應(yīng)用提供更加廣闊的空間。
（4）確定合理的增材制造維修保障業(yè)務(wù)模式,，以及具體操作方案,，快速推進增材制造技術(shù)在維修保障領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
（5）直面問題與挑戰(zhàn),。增材制造在維修領(lǐng)域的成功應(yīng)用需要產(chǎn)品的制造,、維護等各環(huán)節(jié)部門的合作，涉及技術(shù)數(shù)據(jù)管理,、互操作工業(yè)標準的應(yīng)用和數(shù)據(jù)所有權(quán)等問題,。此外，還必須防范分布式增材制造環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險,，保護制造和維修環(huán)境中三維輸入數(shù)據(jù)的完整性和工業(yè)控制系統(tǒng),。

美軍各軍種也對增材制造技術(shù)在維修保障中的應(yīng)用進行了研究。陸軍航空與導(dǎo)彈研發(fā)與工程中心與科帕斯克里斯蒂陸軍軍械庫合作,，在驗證激光增材制造技術(shù),，以用于儲存、分析,、失效評估和回收設(shè)施內(nèi)的高價值航空資產(chǎn)的恢復(fù),、回收和再利用。增材制造將用于對目前通過傳統(tǒng)制造方式不能恢復(fù)使用的陸航資產(chǎn)進行維修,。項目目標包括縮短更換部件從訂貨到交貨的采購時間,，為侯選零件制定合格的維修程序，降低成本,，以免影響作戰(zhàn),、保障和戰(zhàn)備。美國陸軍還開發(fā)了基于增材制造技術(shù)的3D打印遠征工具包,。它是一種基于增材制造技術(shù)的快速制造設(shè)備,，可用于制造特殊工具、零備件和其他部件,�,？刹渴鹪趹�(zhàn)場上，裝備距離需求地點盡可能近得士兵,，以及供應(yīng)保障受限的維修部隊,。為旅保障營、維修供應(yīng)部隊及其他特殊任務(wù)部隊快速制造戰(zhàn)備維修零件,、專業(yè)工具,、關(guān)鍵零備件和定制包裝。3D打印遠征工具包配有工作所需的設(shè)備,、軟件,、工具,，以及獲得授權(quán)的設(shè)計文件數(shù)據(jù)庫,，能夠幫助士兵在戰(zhàn)場上進行制造,，滿足快速修理的需求。該工具包還使得土兵能夠?qū)��?jīng)工程師驗證的解決方案加以創(chuàng)新,，以滿足于作戰(zhàn)和任務(wù)相關(guān)的特殊需求,。

海軍方面，美國海軍正在加大規(guī)劃力度,，積極推進3D打印技術(shù)在保障領(lǐng)域的應(yīng)用,。海軍為此制定了3D打印技術(shù)發(fā)展路線圖，內(nèi)容包括：發(fā)展合格檢驗和監(jiān)督增材制造部件的能力,；使增材制造數(shù)字化框架和工具標準化,；為海軍建立一個先進的綜合數(shù)字化制造網(wǎng)絡(luò)；為海軍人員創(chuàng)造更好地接受3D打印教育,、培訓(xùn)并取得證書的機會,；在采辦執(zhí)行辦公室內(nèi)增設(shè)一名增材制造協(xié)調(diào)員。增材制造具有驚人的靈活性,，能極大地提高海軍艦隊壽命周期后勤效能,，提高作戰(zhàn)物資可獲得性，降低成本,。美國海軍在“埃塞克斯”號兩棲攻擊艦（LHD-2）上在北卡羅來納州切里波因特海軍陸戰(zhàn)隊航空基地的飛機維修過程中,，使用了增材制造技術(shù)。在海軍艦隊戰(zhàn)備中心和地區(qū)維修中心,，增材制造正在以多種方式得以應(yīng)用,，有利于提升艦隊戰(zhàn)備狀態(tài)，并節(jié)約時間和成本,。海軍正在對預(yù)期的戰(zhàn)備狀態(tài)提升進行海上試驗,，為使增材制造能夠生產(chǎn)普適型零件，而不是原型件,，海軍研究辦公室已求助于工業(yè)部門,。

空軍方面，空軍裝備司令部制定了增材制造實施計劃,，該計劃采取周密措施,，以靈活和相互協(xié)調(diào)的策略解決空軍在增材制造方面遇到的各種問題。增材制造實施計劃通過整個空軍層面的標準化設(shè)備,、工藝,、工具和規(guī)程確立了堅實的基礎(chǔ)。在涵蓋全球各地的空軍基地,、維護和維修部門,、工程兵部隊和眾多武器系統(tǒng)項目辦公室的大型網(wǎng)絡(luò)中，建立有效的增材制造網(wǎng)絡(luò)需要新方法，應(yīng)借鑒維修網(wǎng)絡(luò)一體化工作經(jīng)驗,，并允許空軍采取靈活的部署策略,。空軍對未來作戰(zhàn)概念中增材制造技術(shù)的運用場景進行了構(gòu)想,。即是空運一個滿載聚合物的集裝箱,，空投至孤立的前沿哨所直接制造3D打印零件。打印所需的文件通過安全的空間鏈接發(fā)送,，打印機在數(shù)小時內(nèi)就生產(chǎn)出關(guān)鍵零件,。


五、3D打印技術(shù)存在的不足及未來發(fā)展趨勢
3D打印技術(shù)目前仍處于初步發(fā)展階段,，現(xiàn)階段在應(yīng)用上仍面臨眾多瓶頸和挑戰(zhàn),。一是成本高，現(xiàn)有3D打印機造價仍普遍較為昂貴,，給其進一步普及應(yīng)用帶來了困難,。二是打印材料有限，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物,，選擇的局限性較大,，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患,。三是精度,、速度和效率仍不能達到傳統(tǒng)制造的水平，目前3D打印成品的精度還不盡如人意,，打印效率還遠不能適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求,。

3D打印技術(shù)發(fā)展速度很快，根據(jù)國際快速制造行業(yè)權(quán)威報告《沃勒斯報告2011》發(fā)布的調(diào)查結(jié)果,，全球3D打印行業(yè)產(chǎn)值在1988-2010年保持著26.2%的年均增長速度,。報告預(yù)期，3D打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長,，2016年,，包含設(shè)備制造和服務(wù)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達到31億美元，2020年將達到52億美元,。隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟,，3D打印技術(shù)在速度、精度,、材料上都將獲得改善,，成本上也將進一步降低，將在裝備維修保障領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用


六,、提升保障業(yè)務(wù)指揮管理系統(tǒng)水平
為適應(yīng)未來信息化,、網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)需要,，日本非常重視軍事信息系統(tǒng)包括維修保障信息系統(tǒng)的建設(shè)，將其作為發(fā)展信息化武器裝備體系的首要任務(wù),。日本的維修保障業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)包括了裝備品管理系統(tǒng),、維修管理信息系統(tǒng)、通用物資管理系統(tǒng),、車輛使用狀況系統(tǒng),、庫存管理系統(tǒng),、供需控制系統(tǒng)等,。從管理層級上形成了中央（總部）信息系統(tǒng)、自衛(wèi)隊信息系統(tǒng)和基層團級系統(tǒng),。2015年,，日本海上自衛(wèi)隊補給本部部長村川豐參加了“海上自衛(wèi)隊聯(lián)合修造補給系統(tǒng)”啟用儀式。該系統(tǒng)由富士通公司研制,，旨在將各種獨立的修造,、補給系統(tǒng)整合，以提高修造補給的效率與安全,，消減系統(tǒng)運營成本,。海上自衛(wèi)隊聯(lián)合修造補給系統(tǒng)由軍需控制系統(tǒng)、艦船補給系統(tǒng),、航空補給系統(tǒng)和修造業(yè)務(wù)系統(tǒng)4大類業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)集合而成,。預(yù)計新系統(tǒng)每年可為海上自衛(wèi)隊節(jié)約6.3億日元的經(jīng)費支出和14.5萬h的業(yè)務(wù)處理時間。該系統(tǒng)的主要任務(wù)有3個：迅速準確地完成修造與補給業(yè)務(wù),；確保系統(tǒng)安全在內(nèi)的信息安全,；強化充分利用信息技術(shù)的信息共享態(tài)勢，通過各系統(tǒng),、數(shù)據(jù)庫集成節(jié)約保障成本,。