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3D打印技术在后勤装备中的应用研究

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冯林+王岩+赵小兵

摘要：为在后勤装备保障中引入3D打印技术，本文阐述了3D打印技术的基本原理和核心理念，剖析了3D打印技术的主流分层加工工艺，通过与传统加工模式的对比，揭示了3D打印技术的突出优点，同时对3D打印技术的发展趋势进行了总结。通过以上分析并结合后勤装备的研制、生产和维修保障的特点，深入论证了3D打印技术在上述领域的应用潜力和价值。

关键词：3D打印；快速成型；增材制造；概念模型

中图分类号：TL364 文献标识码：A

0.引言

3D打印技术是以数字化模型为基础，应用特殊的成型设备，用液化、丝化、粉末化的材料，通过逐层添加堆积的方式实现无模成型的一种快速成型技术。由于其将复杂的三维形状的零部件制造转换为简单的二维平面形状的逐层打印，因此具备一体化“材料制备与精确成型”的特点。近年来，3D打印技术在国内外日益受到重视，其关键技术研究不断取得突破，性能不断提升，在军事领域的应用取得一系列重要进展，本文初步探讨3D打印技术在后勤装备的研制、生产和维修保障等方面的潜在需求及应用优势。

1.3D打印技术分析

1.1 3D打印概念

3D打印技术又称“增材制造”，是80年代末90年代初在美国兴起的一项高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的最重大变革之一。 “增材制造”的核心理念是“分层处理、层面制造、逐层叠加”，由于其分层加工的过程与喷墨打印十分相似，故称之为3D打印。

1.2 3D打印技术分类

按照分层加工的工艺不同，3D 打印技术主要分以下几种。

（1）三维打印技术（Three Dimension Printing，3DP）：使用标准喷墨打印技术，通过将液态联结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建三维实体模型。

（2）熔融层积成型技术（Fused Deposition Modeling，FDM）：将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层截面完成后，机器工作台下降一个分层厚度再成型下一层，直至形成整个实体造型。

（3）立体平版印刷技术（Stereo Lithograph Apparatus，SLA）：以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。

（4）UV紫外线成型技术（Ultraviolet Radiation Process，URP）：与SLA相似，不同的是其利用UV紫外线照射光敏树脂，一层一层由下而上堆栈成型，成型的精度最高。

（5）激光成型技术（Digital Lighting Process，DLP）：与SLA相似，不同的是其使用高分辨率的数字光处理器（DLP）投影仪来固化液态光聚合物、逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度较SLA快。

（6）选区激光烧结技术（Selected Laser Sintering，SLS）：通过预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），然后让激光在计算机控制下按照截面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结。然后不断循环，层层堆积成型。

1.3 3D打印技术优点

与传统通过对原材料进行切削、组装进行生产的“减式”加工模式不同，3D打印创造性的通过逐层堆积材料实现了“加式”加工，由此带来一系列革命性变化。

（1）促进设计制造一体化

计算机辅助工艺（CAPP）在今后一段时期还无法实现与CAD、CAM完全无缝集成，设计制造一体化难以在此基础上得到进一步的实现。3D打印技术减少了机械加工，能直接从计算机模型数据中生成各种形状的物体，突破了制约设计制造一体化的瓶颈。

（2）提高装备结构集成度

受传统生产工艺所限，装备大多由若干零部件组装起来构成装备的主体结构。这种组装式的结构增加了产品的质量、体积、辅助度和故障概率，同时在制造和组装过程中浪费大量的人力物力。3D打印技术的“加式”方法能够实现高性能或超常性能的构件和结构，甚至某些特殊结构可通过一次成型而无须组装，不仅提高了加工效率，也提高了装备的结构强度与可靠性。

（3）加快裝备研发进程

装备原理样机的试制通常需要消耗相当长时间，是造成装备研制周期滞后的主要因素之一。目前，3D打印技术能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01mm，打印出的物体不仅可以展现外部造型设计，其内部结构甚至运动部件也都可以完全呈现。同时可使用的材料种类逐渐丰富，从主流的高分子材料到金属、石料，据不完全统计，主流3D打印设备已经可支持120余种材料进行3D打印。打印速度方面，垂直可达到25.4mm/h以上。因此，3D打印技术有望缩短装备原理样机的制造时间，有利于加快装备研发进程。

2.3D打印技术应用需求分析

2.1 3D打印发展趋势分析

随着智能制造的进一步发展成熟，先进信息技术、控制技术、材料技术等不断在3D打印技术中得到应用，3D打印技术的发展呈现出如下发展趋势：

（1）3D打印效率和速度继续提升。随着并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印等工艺方法的成熟，打印速度和效率将会得到更大提升。

（2）3D打印材料更加广泛多样。随着先进材料的不断发展，新聚合材料、纳米材料、合成生物材料、功能梯度材料、非均质材料及智能材料等都有望应用于3D打印。

（3）3D打印设备成本大幅下降。随着技术进步及推广应用，3D打印设备呈现系列化、便捷化的趋势，打印设备的成本将大幅下降。

（4）3D打印应用领域进一步拓展。3D打印技术早期主要运用于航空、航天、机械、建筑等行业的模型制作。现在已开始用来制造飞机、汽车、等高科技含量零部件，甚至皮肤、骨骼等活体组织。有理由相信3D打印技术将在更加广泛的行业和领域中得到应用。

2.2 3D打印技术在后勤装备中的应用需求分析

后勤装备是实施后勤保障的装备，是军队装备的重要组成部分。后勤装备又可分为通用后勤装备和各军兵种专用后勤装备。例如：海军专用后勤装备是海军实施后勤保障所使用的专用舰艇、飞机、车辆及设备、器材、装具等的统称。主要包括岸基装备、海上装备、岸海衔接装备，涉及海军军需、卫生、油料、运输补给、军港勤务等不同专业。随着军队建设的发展，后勤装备将不断提高技术水平，为此需要大量应用3D打印技术在内的新技术、新材料、新工艺。

2.2.1 3D打印技术在后勤装备研制中的应用需求

后勤装备研制传统上首先由承研单位完成装备的总体设计，而后承研单位与承制单位合作完成装备的工程设计，接下来由承制单位负责样机试制，样机出厂后再交由使用方进行使用评价，根据使用方使用意见承研单位再对样机设计进行修改完善，并由承制单位整改样机，如此经多次反复，才能完成研制工作。此设计研发流程如图1所示。

从图1中可知，各环节间甚至各环节内部间缺乏交流沟通的统一平台，研发流程完全是串行模式，致使研制效率较低，时间与开发成本较高。例如，在装备总体设计阶段，项目团队往往只能借助抽象的手绘草图进行方案设计讨论，尽管CAD技术的应用可以实现在计算机上建立3D模型，在一定程度上弥补平面设计的不足，但在精度、质感、触感的等各方面往往与预期的概念设计存在较大的偏差，不便于项目团队间以及各研制单位间就相关问题展开交流，影响了方案比较分析的合理性。

通过应用3D打印技术，可以打造一个精准的平台，甚至带来设计研发流程的变化。如图2所示。

从图中可知，由于具有3D打印技术平台的支撑，设计研发流程引入了更多的并行工程方法，例如在总体方案阶段，基于3D打印的概念模型能够使承研单位、承制单位甚至使用方都能够直观地看到和触摸各方案模型，比较各个方案下装备的结构、外形和功能的差别与优缺点，从而更合理的确定最优方案。同时3D打印的模型能够更有效地反映出方案中存在的问题，使得以往在后续环节才可能暴露的问题可以在设计的早期阶段就被发现并加以解决，最大限度地减少设计反复，缩短装备研制时间，节省研制经费。甚至对于某些器材和装具的样机试制，完全有可能利用3D打印技术直接“打印”出原理样机。

2.2.2 3D打印技术在后勤装备小批量生产中的应用需求

各军兵种作战装备专业化程度高，后勤保障往往呈现“一对一”的特殊性，相当数量的后勤装备尤其是专用后勤装备主要采取小批量生产的方式。这与传统工业生产追求大批量、流水線作业的方式有很大不同，容易出现零部件采购周期长、单位成本高、各批次间质量控制难等问题。3D打印技术恰恰最适合定制化的专门领域，应用3D打印技术进行小批量装备的生产完全可以利用一台设备创建出装备的各个部件，然后直接组装成型。

2.2.3 3D打印技术在后勤装备维修保障中的应用需求

3D打印技术具有快速制造的特点。据报道，美军研发了基于3D打印技术的“移动零件医院”并将其投入阿富汗战场实际使用，能根据需求快速地进行零部件的小批量生产与修复。美军甚至正在开发可以放到背包中的3D打印设备以便战场环境下快速复制零件。后勤装备现场级维修以换件修理为主，以海军为例：其涉及在远海条件下的后勤装备，过去为了保证战备完好性，出航准备期间需要补充相当比例的备品备件，给后勤保障造成很大负担。3D打印技术为解决上述问题提供了有效的技术手段，进一步减轻后勤保障压力。

结论

3D打印技术正在飞速发展，技术潜力逐渐发挥，应用领域不断扩大。为此，加强3D打印技术在后勤装备中的应用研究，对促进后勤装备建设意义重大。

参考文献

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