【詳解】3D打印再制造目前存在問題與應(yīng)對措施

3D打印相比于傳統(tǒng)制造方法，3D打印具有節(jié)材、節(jié)能以及成形不受零件復(fù)雜程度限制等優(yōu)勢，因此受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)、生物醫(yī)療等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。  利用3D打印技術(shù)不但可以快速地實現(xiàn)新產(chǎn)品的“無中生有”，也可以快速地實現(xiàn)廢舊產(chǎn)品的“壞中修好”，并提升其性能、延長其使用壽命，這具有非常重要的經(jīng)濟意義。

目前，國內(nèi)外都非常重視3D打印技術(shù)在再制造領(lǐng)域的應(yīng)用。美國已經(jīng)利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)了飛機發(fā)動機葉片、燃氣渦輪發(fā)動機零部件等的再制造，并計劃將3D打印技術(shù)應(yīng)用于太空軌道修復(fù)，助力美國防部鳳凰計劃。我國在3D打印制造金屬零件及損傷零部件再制造方面也進行了深入的研究，并取得了一系列的成果。  但是，3D打印技術(shù)在再制造領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于初級階段。接下來我們對3D打印再制造技術(shù)目前存在的問題及其應(yīng)對措施進行探討。

1  3D打印再制造及其流程  
3D打印再制造就是利用3D打印技術(shù)對廢舊零部件進行再制造修復(fù)，使其性能得到提升，服役壽命得以延長，其技術(shù)流程如圖1所示。損傷零件掃描反求 損傷零件數(shù)字化模型 模型重構(gòu) 損傷零件CAD模型 與標(biāo)準(zhǔn)模型比對 再制造修復(fù)模型 模型分層路徑規(guī)劃再制造修復(fù)  

對于基于零件CAD標(biāo)準(zhǔn)模型的3D打印直 接制造，零件模型直接從標(biāo)準(zhǔn)模型庫中調(diào)取或利用三維造型軟件進行快速設(shè)計，然后對模型進行分層切片處理后即可對零件進行打印制造。由圖1可以看出，再制造修復(fù)模型的獲取是個復(fù)雜的過程，首先需要通過反求工程獲取廢舊損傷零件的數(shù)字模型，然后對數(shù)字模型進行處理，并最終通過與標(biāo)準(zhǔn)模型進行比對生成再制造修復(fù)模型。

實際上，由于造成裝備零部件損傷的因素是多樣的，零件損傷面往往也是不規(guī)則面，要實現(xiàn)零件損傷部位的原位修復(fù)，還必須進行損傷表面的預(yù)處理。另外，由于在損傷零件的再制造修復(fù)過程中，所用再制造修復(fù)材料與零件基體材料不同，再制造修復(fù)零部件中存在異質(zhì)界面問題。因此，裝備廢舊損傷零部件的3D打印再制造修復(fù)不同于裝備零部件的3D打印直接制造，其涉及技術(shù)領(lǐng)域更廣，過程更復(fù)雜。

2  3D打印再制造目前存在問題  
雖然3D打印已經(jīng)在裝備零部件的再制造中成功應(yīng)用，并取得了不錯的效果。但是，由于再制造過程十分復(fù)雜，加上3D打印技術(shù)本
身還不夠成熟，目前的3D打印再制造還處于初級研究階段，還存在許多亟待解決的問題。  

（1）再制造模型獲取過程復(fù)雜，效率低下。再制造模型的獲取過程中，損傷零件數(shù)字模型的獲取及模型重構(gòu)是逆向工程問題，而損傷零件CAD模型的建立是正向設(shè)計問題，存在數(shù)據(jù)處理及文件格式轉(zhuǎn)換等諸多問題。實際的再制造模型獲取步驟是：三維掃描儀對損傷零件進行掃描，獲取零件數(shù)字模型（點云數(shù)據(jù)模型）；將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件如imageware、polyworks中進行處理，構(gòu)建曲面模型；將曲面模型導(dǎo)入正向設(shè)計軟件中進行實體化處理并與調(diào)入的標(biāo)準(zhǔn)零件CAD模型進行比對，最終生成再制造修復(fù)模型。

由此可以看出，通常情況下，再制造模型的獲取需要三方軟件的協(xié)作才能完成。同時，目前點云數(shù)據(jù)處理及曲面模型構(gòu)建操作是靠人工完成的，曲面模型構(gòu)建質(zhì)量高低全憑經(jīng)驗決定。系統(tǒng)軟件集成化、自動化程度的低下，直接導(dǎo)致在制造修復(fù)模型獲取效率低下，大幅度地降低了裝備損傷零部件的3D打印再制造修復(fù)響應(yīng)速度。  

（2）設(shè)備便攜性差。包括兩方面：一是損傷零件數(shù)字模型獲取的反求掃描設(shè)備還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要電源、便攜性差的問題；
二是由于激光設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)龐大，導(dǎo)致目前主流的基于激光的3D打印制造技術(shù)存在系統(tǒng)復(fù)雜、便攜性差的問題，無法實現(xiàn)損傷零件模型快速反求及快速再制造修復(fù)。

（3）技術(shù)相對單一。目前的主流3D打印技術(shù)都是基于激光為熱源的打印技術(shù)。激光雖然有能量集中，成形材料廣泛等優(yōu)點，但也存在系統(tǒng)昂貴、復(fù)雜等缺點，造成3D打印直接制造和再制造成本較高，普及比較困難。  

（4）3D打印精度比較低。目前的3D打印還存在精度較低的缺陷，無論是直接制造件還是再制造修復(fù)件，都需要進行后處理加工后才能使用。  

（5）材料問題。目前用于金屬零件3D打印直接制造的材料種類還比較少，導(dǎo)致可以進行再制造修復(fù)的裝備零部件種類有限。  

3 應(yīng)對措施  
針對3D打印再制造技術(shù)目前存在的問題，為加速實現(xiàn)裝備損傷零部件戰(zhàn)場現(xiàn)場快速精確再制造保障要求，今后，3D打印技術(shù)應(yīng)加大以下幾個方面的研究與應(yīng)用探索：  

（1）針對裝備損傷零部件戰(zhàn)場搶修需求特點，開發(fā)專用的集成度高、自動化程度高的再制造一體化軟件系統(tǒng)。如，開發(fā)點云數(shù)據(jù)及曲面模型構(gòu)建快速、自動化處理模塊，缺損零件CAD模型與標(biāo)準(zhǔn)零件模型自動配比及再制造 模型求取模塊。目前，達爾康（Delcam）集成系統(tǒng)有限公司和杰魔（Geomagic）軟件公司分別推出正逆向混合設(shè)計軟件PowerShape PRO、 Geomagic Spark，使得再制造模型獲取軟件系統(tǒng)集成度大幅度提高。另外，鑒于點云數(shù)據(jù)構(gòu)建曲面模型過程繁瑣，大連海事大學(xué)已展開點云數(shù)據(jù)與零件標(biāo)準(zhǔn)CAD模型進行比對生成再制造修復(fù)模型的理論研究。點云數(shù)據(jù)模型與標(biāo)準(zhǔn)模型直接比對獲取再制造模型可以大大縮短再制造模型求取流程，提高系統(tǒng)自動化水平，進而提高損傷零件的3D打印再制造修復(fù)響應(yīng)速度。  

（2）開發(fā)桌面化3D打印系統(tǒng)，降低3D打印再制造成本，提高設(shè)備的便攜性，以適應(yīng)野外戰(zhàn)場現(xiàn)場快速精確保障要求。目前，美國陸軍太空與導(dǎo)彈防御司令部、陸軍部隊?wèi)?zhàn)略司令部未來作戰(zhàn)中心創(chuàng)新辦公室為戰(zhàn)場人員研發(fā)了一款重量輕、價格低的3D打印機，該機可以放在作戰(zhàn)人員的背包中并在戰(zhàn)場上使用。國內(nèi)深圳華朗公司開發(fā)出第四代三維掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)掃描儀自重不足1 kg，掃描時只需要一臺筆記本電腦、一個掃描儀和一個為掃描儀供電的便攜式充電器，無需常規(guī)電源供電，非常適合野外現(xiàn)場做業(yè)。  

（3）深入研究開發(fā)基于激光以外的其他3D打印技術(shù)。基于激光的3D打印技術(shù)存在系統(tǒng)昂貴、便攜性差等缺陷，應(yīng)廣泛開展其他類型的3D打印技術(shù)，如基于電弧熔敷、等離子體熔敷等3D打印技術(shù)。目前，裝備再制造技 術(shù)國防科技重點實驗室已成功應(yīng)用基于焊接的3D打印技術(shù)對裝甲裝備零部件進行了再制造修復(fù)。但是，相比激光3D打印技術(shù)，基于焊接的3D打印技術(shù)具有精度低、成形穩(wěn)定性差等缺點，需要進一步進行深入的研究。同時，還應(yīng)加緊其他類型的，具有高精度、設(shè)備便攜的3D打印技術(shù)的探索研究。  

（4）廣泛開展3D打印材料研發(fā)工作。美國一直十分注重3D打印配套材料的開發(fā)工作。隨著3D打印技術(shù)的深入發(fā)展和打印材料需求的不斷擴展，目前，國內(nèi)的3D打印材料研發(fā)與應(yīng)用也日益受到關(guān)注。據(jù)報道，在2012年10月舉行的增量制造產(chǎn)業(yè)高端論壇暨激光燒結(jié)裝備發(fā)布會上，華曙高科與全球知名激光燒結(jié)粉末材料銷售商美國3D Link公司就激光燒結(jié)材料應(yīng)用開發(fā)項目簽訂合作協(xié)議，以期開發(fā)出高性能激光燒結(jié)粉末材料。近期成立的飛而康快速制造科技有限責(zé)任公司、海源3D打印制造實驗室等單位也都把3D打印材料開發(fā)列為明確目標(biāo)。  

（5）充分利用好網(wǎng)絡(luò)平臺，大力開展遠程3D打印再制造。據(jù)外媒報導(dǎo)，近期，美國陸軍研究實驗室和普渡大學(xué)開發(fā)出一種新型3D打印技術(shù)，能夠幫助部署在不同位置的士兵對裝備（如飛機、汽車）零部件進行遠程修復(fù)，提高軍事裝備效率并大幅降低維護成本。目前，國內(nèi)已出現(xiàn)專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)3D打印服務(wù)平臺，但關(guān)于遠程3D打印再制造的信息還尚無報道。  

總之，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于裝備損傷零部件的再制造修復(fù)中，可以大幅節(jié)約成本，降低軍隊裝備備用件的庫存量，節(jié)省國防開支，對于大幅提升損傷裝備零部件的快速精確保障響應(yīng)速度、促進戰(zhàn)斗力的再生、改善軍隊?wèi)?zhàn)備狀態(tài)有著重要的意義。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展與成熟，相信3D打印技術(shù)在國防科技中的應(yīng)用前景將更加廣闊，同時帶來更高的軍事效益和經(jīng)濟效益。

編輯：南極熊
作者：柳建，殷鳳良，孟凡軍，顧海清（裝甲兵工程學(xué)院 再制造技術(shù)重點實驗室）