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(jì)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(biāo)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(duì)美軍未來戰(zhàn)場(chǎng)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(jī)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(jì)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(jī)逐層分切，針對(duì)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(shí)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(jī)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(shí)，具有很高的技術(shù)含量。3D打印機(jī)是3D打印的核心設(shè)備，它是集機(jī)械，控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)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(jì)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(shí)體磨削固化等。

在世界各國的大力推動(dòng)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(dá)到600dpi的精細(xì)分辨率，每層材料的厚度最小可以達(dá)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(shí)打印的垂直高度可以達(dá)到1英寸（約2.54cm）以上。在歐美發(fā)達(dá)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(fèi)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(xì)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(jì)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(shí)裝備維修備件快速制造。戰(zhàn)時(shí)，維修備件要依賴多級(jí)供應(yīng)渠道保障，少部分關(guān)鍵備件由部隊(duì)攜帶以及進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)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(chǎng)后方的供應(yīng)基地以及廠家提供保障，備件供應(yīng)時(shí)間較長，在戰(zhàn)時(shí)難以提供及時(shí)有效的保障。在戰(zhàn)場(chǎng)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(gè)有效的備件解決方案。戰(zhàn)時(shí)僅需利用預(yù)先攜帶的裝備部件數(shù)據(jù)，利用3D打印機(jī)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(fù)擔(dān)。

二是用于戰(zhàn)場(chǎng)生產(chǎn)裝備維修工具和設(shè)備。由于戰(zhàn)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)維修工具和設(shè)備有限，可能難以滿足戰(zhàn)時(shí)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(zhǔn)備的圖紙，現(xiàn)場(chǎng)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。

三、3D打印技術(shù)在武器裝備維修領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)
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(duì)具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件特別有效。這一特點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(huì)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(jià)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(diǎn)對(duì)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(jià)值。以艦船為例，很多國家的海軍部隊(duì)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(duì)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(jì)到零件的加工完成只需幾小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)，整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化，可隨時(shí)修正、隨時(shí)制造。這一特點(diǎn)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(jìn)裝備部件設(shè)計(jì)，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(jì)，對(duì)改進(jìn)和提高武器裝備部件可靠性和維修性有很高的價(jià)值。

四是材料無浪費(fèi)。傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)是在原材料坯件基礎(chǔ)上進(jìn)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(gè)過程中，原材料就會(huì)出現(xiàn)損失，而且是越昂貴的合金就越難進(jìn)行回收利用，提高了生產(chǎn)成本、浪費(fèi)了寶貴的資源，例如新一代戰(zhàn)斗機(jī)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(fèi)，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(duì)于降低先進(jìn)武器裝備備件的生產(chǎn)成本具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(dòng)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(bào)道。美國研究人員對(duì)增材制造在國防領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展空間進(jìn)行了探討。
（1）進(jìn)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(rèn)為，增材制造對(duì)美軍后勤和保障工作具有深遠(yuǎn)的意義。航空工業(yè)協(xié)會(huì)產(chǎn)品保障委員會(huì)主席表示，增材制造是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，未來將重塑維修保障模式，降低分發(fā)、存儲(chǔ)和管理零備件庫存的成本和后勤負(fù)擔(dān)，提升系統(tǒng)的可用性，并且大幅提升軍隊(duì)的戰(zhàn)備水平。

（2）加強(qiáng)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(fù)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(hù)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(dòng)增材制造技術(shù)的協(xié)作性戰(zhàn)術(shù)實(shí)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�？哲娨捕家�(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(jì)劃與工作安排。
（3）加快3D打印技術(shù)、檢測(cè)認(rèn)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(jìn)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(xiǎn)，保護(hù)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(duì)增材制造技術(shù)在維修保障中的應(yīng)用進(jìn)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(yàn)證激光增材制造技術(shù)，以用于儲(chǔ)存、分析、失效評(píng)估和回收設(shè)施內(nèi)的高價(jià)值航空資產(chǎn)的恢復(fù)、回收和再利用。增材制造將用于對(duì)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(jìn)行維修。項(xiàng)目目標(biāo)包括縮短更換部件從訂貨到交貨的采購時(shí)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(yuǎn)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(chǎng)上，裝備距離需求地點(diǎn)盡可能近得士兵，以及供應(yīng)保障受限的維修部隊(duì)。為旅保障營、維修供應(yīng)部隊(duì)及其他特殊任務(wù)部隊(duì)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(yuǎn)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(jì)文件數(shù)據(jù)庫，能夠幫助士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)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(yàn)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(jìn)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(yàn)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(biāo)準(zhǔn)化；為海軍建立一個(gè)先進(jìn)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(jī)會(huì)；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(duì)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(hào)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(duì)航空基地的飛機(jī)維修過程中，使用了增材制造技術(shù)。在海軍艦隊(duì)?wèi)?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(duì)?wèi)?zhàn)備狀態(tài)，并節(jié)約時(shí)間和成本。海軍正在對(duì)預(yù)期的戰(zhàn)備狀態(tài)提升進(jìn)行海上試驗(yàn)，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(shí)施計(jì)劃，該計(jì)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(shí)施計(jì)劃通過整個(gè)空軍層面的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備、工藝、工具和規(guī)程確立了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在涵蓋全球各地的空軍基地、維護(hù)和維修部門、工程兵部隊(duì)和眾多武器系統(tǒng)項(xiàng)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(yàn)，并允許空軍采取靈活的部署策略�？哲妼�(duì)未來作戰(zhàn)概念中增材制造技術(shù)的運(yùn)用場(chǎng)景進(jìn)行了構(gòu)想。即是空運(yùn)一個(gè)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(jī)在數(shù)小時(shí)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(shì)
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(jī)造價(jià)仍普遍較為昂貴，給其進(jìn)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(dá)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(yuǎn)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(bào)告《沃勒斯報(bào)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(bào)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(dá)到31億美元，2020年將達(dá)到52億美元。隨著智能制造的進(jìn)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(jìn)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(jí)上形成了中央（總部）信息系統(tǒng)、自衛(wèi)隊(duì)信息系統(tǒng)和基層團(tuán)級(jí)系統(tǒng)。2015年，日本海上自衛(wèi)隊(duì)補(bǔ)給本部部長村川豐參加了“海上自衛(wèi)隊(duì)聯(lián)合修造補(bǔ)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(dú)立的修造、補(bǔ)給系統(tǒng)整合，以提高修造補(bǔ)給的效率與安全，消減系統(tǒng)運(yùn)營成本。海上自衛(wèi)隊(duì)聯(lián)合修造補(bǔ)給系統(tǒng)由軍需控制系統(tǒng)、艦船補(bǔ)給系統(tǒng)、航空補(bǔ)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(jì)新系統(tǒng)每年可為海上自衛(wèi)隊(duì)節(jié)約6.3億日元的經(jīng)費(fèi)支出和14.5萬h的業(yè)務(wù)處理時(shí)間。該系統(tǒng)的主要任務(wù)有3個(gè)：迅速準(zhǔn)確地完成修造與補(bǔ)給業(yè)務(wù)；確保系統(tǒng)安全在內(nèi)的信息安全；強(qiáng)化充分利用信息技術(shù)的信息共享態(tài)勢(shì)，通過各系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫集成節(jié)約保障成本。