南極熊深度解析——3D打印技術(shù)對武器裝備發(fā)展的影響

3D打印技術(shù)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(fù)雜制造能力好，材料利用率高，適應(yīng)性好等優(yōu)點，應(yīng)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(guān)注與大力推進下，近年來3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用不斷取得突破，顯示了良好的軍事應(yīng)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(shù)不斷取得突破，軍事應(yīng)用取得重要進展
近年來，3D打印技術(shù)日益受到重視，關(guān)鍵技術(shù)研究不斷取得突破，性能不斷提升，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用取得重要進展，進入發(fā)展與應(yīng)用的快車道。
1.3D打印技術(shù)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(shù)、材料技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)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(shù)列為國家重點發(fā)展技術(shù)，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(shù)列為重點發(fā)展的11項技術(shù)之一，并作為其“全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”首家研究中心的主要研究方向�！叭�美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”是美國“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)”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(shù)。 我國也高度重視3D打印技術(shù)，采取多種措施推動其快速發(fā)展�？傃b備部、國防科工局、國家自然科學(xué)基金委員會等部門對鈦合金結(jié)構(gòu)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�？萍疾空�在制定3D打印技術(shù)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(shù)不斷取得突破，技術(shù)成熟度及性能不斷提升
近年來，3D打印技術(shù)的研究穩(wěn)步推進，取得系列重要進展，技術(shù)成熟度及性能不斷提升。美國3D打印技術(shù)研究取得重要進展，技術(shù)成熟度及性能顯著提升，初步達到工業(yè)應(yīng)用水平。 2012年，美國Sciaky公司的新型電子束3D打印 技術(shù)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(shù)取得重要進展，美國空軍將在此基礎(chǔ)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(shù)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(shù)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(yīng)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(shù)已達到世界領(lǐng)先水平。北京航空航天大學(xué)已掌握使用激光快速成形技術(shù)制造超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)，并成功應(yīng)用于武器裝備研制，相關(guān)成果“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲2012年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。西北工業(yè)大學(xué)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(shù)[9]。

3.3D打印技術(shù)應(yīng)用不斷拓展與深化，技術(shù)效益不斷發(fā)揮
隨著技術(shù)成熟度及性能的提升，3D打印技術(shù)近年來應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，在武器裝備設(shè)計、制造、維修等領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用。 設(shè)計方面，美國NASA在設(shè)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(shè)計部件。此3D打印機采用選擇性激光熔煉技術(shù)，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(shù)在大型、復(fù)雜部件制造等方面的應(yīng)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(shù)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(fù)[8]。近年，美國積極開展3D打印技術(shù)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(shù)公司合作，推進大尺寸鈦合金3D打印技術(shù)在戰(zhàn)斗機制造上的應(yīng)用。

2013年，美國開始使用3D打印技術(shù)批量生產(chǎn)噴氣發(fā)動的燃料噴嘴。在3D打印技術(shù)應(yīng)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(shù)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(biāo)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(shè)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(shè)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(shù)在武器裝備中的應(yīng)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(gòu)件激光快速成形制造技術(shù)并工程應(yīng)用的國家。北京航空航天大學(xué)和西北大學(xué)的3D打印技術(shù)已成功應(yīng)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(fēng)擋窗框、大中央翼根肋，以及正在設(shè)計的新型戰(zhàn)斗機的鈦合金主體結(jié)構(gòu)都采用激光快速成形技術(shù)制造，有效降低了飛機的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機的推重比，并縮短了設(shè)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(shù)的發(fā)展已取得重要進展，部分領(lǐng)域已具備較高的技術(shù)水平，取得初步的應(yīng)用成果，顯示了良好的發(fā)展前景。但3D打印技術(shù)尚處于技術(shù)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(yīng)用。隨著材料技術(shù)、高精度控制技術(shù)、高效制造技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與進步，3D打印技術(shù)必將在武器裝備發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。


二、3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用將對武器裝備發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響
受技術(shù)、成本的限制，3D打印技術(shù)難以取代大規(guī)模流水線生產(chǎn)，但其不需要模具，可實現(xiàn)從設(shè)計到零件的直接轉(zhuǎn)化，完成快速、自由的制造，將在武器裝備的設(shè)計，復(fù)雜、昂貴部件的制造，以及維修保障等方面得到廣泛的應(yīng)用，對武器裝備發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

1.小批量制造成本低、速度快，可顯著降低武器裝備研制風(fēng)險、縮短研制時間
武器裝備越來越復(fù)雜，研制時只有通過多輪的設(shè)計-原型機生產(chǎn)-試驗-修改設(shè)計-原型機再生產(chǎn)-再試驗過程，通過原型機重復(fù)試驗才能及時發(fā)現(xiàn)問題并修正。但原型機的產(chǎn)量極小，采用傳統(tǒng)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(zhàn)斗機因為研制過程中的反復(fù)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(shù)不需要傳統(tǒng)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(chǎn)，且整個生產(chǎn)過程數(shù)字化,可隨時修正、隨時制造，在短時間內(nèi)進行大量的驗證性試驗，從而顯著降低研制風(fēng)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(shè)計中，已采用3D打印技術(shù)進行零件的快速制造。我國新型戰(zhàn)斗機起落架的關(guān)鍵零部件等也采用激光快速成形技術(shù)制造，極大地縮短了研制周期。

2.復(fù)雜制造能力好，可完成傳統(tǒng)方法難以完成的制造，提高武器裝備性能
3D打印技術(shù)不需要預(yù)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(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件特別有效。如制造復(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)雜的坦克裝甲等關(guān)鍵武器零部件。3D打印技術(shù)還能顯著提高零部件的關(guān)鍵性能。

采用激光燒結(jié)技術(shù)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(jié)技術(shù)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(shù)還可用于局部成份控制，生產(chǎn)局部材料屬性（如折射率、導(dǎo)電性、磁性、硬度等）可控的功能梯度材料，使材料呈現(xiàn)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(xué)隱身斗篷。

3.材料利用率高，可有效降低先進武器生產(chǎn)成本
傳統(tǒng)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(zhàn)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(zhàn)斗機的成本超過2億美元，即使美國這樣的經(jīng)濟強國也難以大量承擔(dān)。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(shù)，C919飛機中央翼根肋的精坯重量僅為136千克，相比傳統(tǒng)制造方法1607千克的鍛件毛坯，可以節(jié)省91.5%的昂貴的鈦合金材料。

4.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(dāng)前，裝備維修保障主要采取冗余備份的方式，即預(yù)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(yù)測，這種方式容易產(chǎn)生保障不足和保障過量兩種情況。保障不足時將因為預(yù)先準備的配件少而影響武器裝備的及時修復(fù)，保障過量時將因為預(yù)先準備的配件過多而增大保障壓力。3D打印技術(shù)具備快速制造不同零部件的能力，只要有電子設(shè)計圖紙及打印材料，可根據(jù)需要快速打印出各種部件。應(yīng)用于維修保障時，可在戰(zhàn)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(fù)作戰(zhàn)能力。認識到 3D打印技術(shù)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(shù)在裝備維修保障中的應(yīng)用，于2012年和2013年部署了兩個基于3D打印技術(shù)的移動遠征實驗室[11][12]，驗證基于3D 打印技術(shù)的裝備維修保障。

加快3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是彌補我國當(dāng)前武器裝備設(shè)計、制造與維修保障能力的不足，提升研發(fā)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(shù)在鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形等方向居于世界領(lǐng)先地位，但整體水平仍有很大的提升空間。應(yīng)著眼武器裝備長遠發(fā)展，統(tǒng)籌規(guī)劃，匯聚各方面力量推動3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為實現(xiàn)“能打仗、打勝仗”的目標(biāo)提供技術(shù)支撐。

一是將3D打印技術(shù)作 為我國制造業(yè)升級的關(guān)鍵，軍民融合、整合資源，集全國之力進行發(fā)展；
二是針對當(dāng)前存在的問題，加強材料技術(shù)3D打印核心關(guān)鍵技術(shù)研究，改變我國核心關(guān)鍵設(shè)備受制于人的狀況；
三是積極探索 3D打印技術(shù)在武器裝備建設(shè)中的應(yīng)用，以應(yīng)用牽 引技術(shù)發(fā)展方向與重點。

編輯：南極熊
作者：鄧啟文，郭繼周，吳 集 （國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)國防科技與武器裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究中心）陳強（裝甲兵工程學(xué)院機械工程系）
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