3D打印技術(shù)及軍事應用有怎樣的使用前景

增材制造技術(shù)是對傳統(tǒng)切削加工技術(shù)的原理性顛覆，不需要傳統(tǒng)的模具、刀具、夾具及多道加工工序，在一臺設(shè)備上可快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現(xiàn)“自由制造”，解決了許多過去難以實現(xiàn)的復雜結(jié)構(gòu)零件的制造問題，因此在武器裝備研制生產(chǎn)中顯示出不可替代的作用和廣闊應用前景，成為世界國防前沿技術(shù)的研究熱點和重點。美國《時代》周刊已將增材制造技術(shù)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”，英國《經(jīng)濟學人》雜志則認為它將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動實現(xiàn)新的工業(yè)革命。

（一）研究進展
近年來，增材制造技術(shù)持續(xù)升溫，世界許多國家均通過制定制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、制定技術(shù)路線圖等多種措施，促進增材制造技術(shù)的發(fā)展和應用。

增材制造工藝過程檢測技術(shù)取得重要進展，成形效率和質(zhì)量顯著提高。近年來，隨著工藝過程不斷優(yōu)化，適用材料品種不斷增加，設(shè)備加工檢測能力不斷提升，制造效率、產(chǎn)品精度和質(zhì)量獲得穩(wěn)步提升，增材制造技術(shù)應用范圍迅速擴展。2013年，DST Control公司利用熔融堆積成形技術(shù)成功制造了COLIBRI微型高性能光電萬向支架中的20個塑料零件，該光電萬向支架用于無人系統(tǒng)的成像，并已裝備一個球形地面無人車Groundbot。預計COLIBRI支架最初的年產(chǎn)量為50個，交貨周期由10-12周減少到4周。2016年，Promolding公司通過利用Stratasys PolyJet 3D打印解決方案，將注塑模具的生產(chǎn)時間縮短了93％，空客公司等航空航天制造企業(yè)也有望大規(guī)模應用這一技術(shù)。

增材制造技術(shù)的標準規(guī)范日益完善，標志著該項技術(shù)開始走向成熟應用。目前，增材制造技術(shù)標準與規(guī)范的制訂日益受到重視，將促進該技術(shù)的健康持續(xù)發(fā)展。2012年，美國材料實驗協(xié)會（ASTM）國際委員會針對Ti-6Al-4V的增材制造制訂了F2924-12標準。2013年9月，美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）公布了總額740萬美元的資金援助項目，以解決增材制造在測量和標準方面面臨的重大問題。2015年7月，歐盟“增材制造標準化支持行動（SASAM）”項目發(fā)布了增材制造標準化路線圖，明確闡述了標準化對增材制造技術(shù)發(fā)展和應用的重要性。

增材制造技術(shù)和生物制造技術(shù)深度交叉融合，疊加優(yōu)勢效應開始顯現(xiàn)。生物3D打印能直接打印出活體組織，甚至直接打印活體替代器官。2010年6月，美國Organovo公司成功研制出“按需打印”患者所需的人體活器官的機器，對未來戰(zhàn)場及時救援具有巨大潛在意義。2013年2月20日，美國康奈爾大學的研究人員利用牛耳細胞3D打印出人造耳朵。2016年，美國海軍研究實驗室（NRL）化學部門負責人Ringeisen發(fā)明的生物激光打印機（BioLP）目前已經(jīng)獲得專利批準，美國海軍研究實驗室希望借此技術(shù)治療一些常見戰(zhàn)場傷病，如創(chuàng)傷性腦損傷、燒傷以及聽力損傷等。

（二）發(fā)展趨勢
增材制造技術(shù)代表著生產(chǎn)模式和先進制造技術(shù)發(fā)展的趨勢，產(chǎn)品生產(chǎn)將逐步從大規(guī)模制造向定制化制造發(fā)展，滿足社會多樣化需求。其間接作用和未來前景難以估量。增材制造優(yōu)勢在于制造周期短、適合單件個性化需求、大型薄壁件制造、鈦合金等難加工易熱成形零件制、結(jié)構(gòu)復雜零件制造。增材制造技術(shù)相對傳統(tǒng)制造技術(shù)還面臨許多新挑戰(zhàn)，還存在使用成本高(10元/g～100元/g)，制造效率低，例如金屬材料成形為100g/h～3000g/h，制造精度尚不能令人滿意；其工藝與裝備研發(fā)尚不充分，尚未進入大規(guī)模工業(yè)應用等問題。目前，增材制造技術(shù)還只是傳統(tǒng)大批量制造技術(shù)的一個補充，未來將會與傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)選、集成，形成新的發(fā)展增長點。

向功能零件制造發(fā)展。采用激光或電子束直接熔化金屬粉，逐層堆積金屬，形成金屬直接成形技術(shù)。該技術(shù)可以直接制造復雜結(jié)構(gòu)金屬功能零件，制件力學性能可以達到鍛件性能指標。隨著技術(shù)的不斷成熟，增材制造的使用成本不斷降低，其應用重點已經(jīng)由最初的設(shè)計和原型工具的應用，轉(zhuǎn)向了功能部件和產(chǎn)品的生產(chǎn)，進一步提高精度和性能，同時向陶瓷零件的增材制造技術(shù)和復合材料的增材制造技術(shù)發(fā)展。

向智能化裝備發(fā)展。目前，增材制造設(shè)備在軟件功能和后處理方面還有許多問題需要優(yōu)化。例如，成形過程中需要加支撐，軟件智能化和自動化需要進一步提高;制造過程，工藝參數(shù)與材料的匹配性需要智能化;加工完成后的粉料或支撐需要去除等問題，這些問題直接影響設(shè)備的使用和推廣。

向組織與結(jié)構(gòu)一體化制造發(fā)展。增材制造下一步是實現(xiàn)從微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的可控制造。例如，在制造復合材料時，將組織設(shè)計制造與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計制造同步完成，在微觀到宏觀尺度上實現(xiàn)同步制造，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的“設(shè)計—材料—制造”—體化。支撐生物組織制造、復合材料等復雜結(jié)構(gòu)零件的制造，給制造技術(shù)帶來革命性發(fā)展。

（三）重大影響
增材制造技術(shù)可顯著改善裝備制造流程，提高裝備的戰(zhàn)術(shù)適應性，不僅將為裝備研制帶來重大變革，而且可能從根本上影響國防工業(yè)基礎(chǔ)，甚至會對戰(zhàn)爭形態(tài)和作戰(zhàn)樣式產(chǎn)生顛覆性影響。

增材制造將實現(xiàn)復雜裝備輕質(zhì)、高強、低成本及敏捷化質(zhì)的飛躍。目前，使用3D打印鈦合金零件的F-35已經(jīng)進行了試飛。據(jù)估計，未來如果3000多架戰(zhàn)機都使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)零部件，不僅大大提高“難產(chǎn)”的F-35戰(zhàn)機的部署速度，而且還能節(jié)省數(shù)十億美元成本，如原本相當于材料成本1~2倍的加工費現(xiàn)在只需原來的10%。

增材制造可大幅降低貴重資源消耗，實現(xiàn)國防稀缺資源高效利用。采用增材制造方式超過90%的原材料可以回收再利用，這對于國防工業(yè)的稀缺資源來說，具有重要的戰(zhàn)略意義。例如在航空航天領(lǐng)域，為實現(xiàn)零件的高性能，需要大量使用鈦合金和鎳基合金等昂貴的戰(zhàn)略材料。F-22戰(zhàn)機的鈦合金框材料利用率僅為4.8%，如運用增材制造技術(shù)，可節(jié)約2/3以上的昂貴鈦合金原材料。

增材制造將激發(fā)新型裝備設(shè)計理念，創(chuàng)造更加卓越的價值鏈體系。增材制造不僅是一種先進的制造技術(shù)，它還將對現(xiàn)有的設(shè)計理念、生產(chǎn)方式和研發(fā)模式產(chǎn)生沖擊，使得制造和設(shè)計被整合成為“精確研發(fā)”模式。這不但會影響制造業(yè)本身，還將改變整個裝備研發(fā)體系。借助信息技術(shù)所形成的“信息物理系統(tǒng)”，增材制造所具有的開放型和大眾性，將為未來的創(chuàng)新搭建了廣闊的舞臺。

作者 ：   汪浩
研究領(lǐng)域：  艦船智能制造技術(shù)、國防基礎(chǔ)性前瞻性顛覆性技術(shù)研究等