【干貨】3D打印技術(shù)對裝備維修保障的影響與對策

隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展和打印材料種類不斷增多，3D打印在裝備維修保障領(lǐng)域已呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。針對3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)分析了3D打印技術(shù)為信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障帶來的發(fā)展機(jī)遇，系統(tǒng)研究了3D打印技術(shù)發(fā)展對信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障的影響，提出了推進(jìn)3D打印技術(shù)在裝備維修保障領(lǐng)域應(yīng)用的對策建議。

近年來， 3D打印技術(shù)獲得迅速發(fā)展，受到世界各國的廣泛關(guān)注，美國科學(xué)家將３Ｄ打印產(chǎn)業(yè)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”之一，有的甚至期望3D打印這種神奇的技術(shù)能帶來“ 第三次工業(yè)革命“ 。隨著3D打印技術(shù)在武器裝備設(shè)計(jì)、 制造和使用保障等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，可以預(yù)見，在信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障領(lǐng)域，3D打印技術(shù)將具有廣泛的應(yīng)用前景，應(yīng)用３Ｄ打印技術(shù)對損傷部件進(jìn)行修復(fù)和快速打印維修備件，將有力推動(dòng)裝備維修保障的變革創(chuàng)新。研究3D打印技術(shù)對信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障的影響，提出利用３Ｄ打 印技術(shù)的措施建議，將為提升信息化條件下裝備維修保障能力和推動(dòng)裝備維修保障變革創(chuàng)新提供重要技術(shù)手段和支撐。
１ ３Ｄ打印技術(shù)帶來的機(jī)遇
信息化戰(zhàn)爭的特點(diǎn)使得裝備維修保障環(huán)境更加突變、保障任務(wù)更加繁重、保障需求更為多樣和備件消耗難以預(yù)測，給維修保障狀態(tài)轉(zhuǎn)換和快速機(jī)動(dòng)、維修保障體系創(chuàng)新發(fā)展、定制化保障和保障資源優(yōu)化配置提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。３Ｄ打印技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，為裝
備維修保障提供了難得的發(fā)展機(jī)遇。

１）３Ｄ打印的適應(yīng)性， 可顯著降低裝備保障力量的專業(yè)化門檻，為實(shí)現(xiàn)按需保障提供重要技術(shù)手段。未來信息化戰(zhàn)爭將是陸、海、空、天、電等部隊(duì)的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)， 裝備維修器材、保障設(shè)備、 保障技術(shù)、保障人員等保障要素多元化趨勢更加明顯，與參戰(zhàn)部隊(duì)類型多樣相適應(yīng)，戰(zhàn)場裝備保障力量必然多元構(gòu)成，利用３Ｄ打印技術(shù)，根據(jù)任務(wù)需要， 按照打印需求進(jìn)行保障，可大量減少生產(chǎn)和技術(shù)保障人員數(shù)量，降低保障力量的專業(yè)化門檻。美軍在阿富汗戰(zhàn)場上曾部署了３套３Ｄ打印設(shè)備，每套３Ｄ打印設(shè)備采用國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱包裝， 可通過空運(yùn)或公路運(yùn)輸方式直接投送到前方戰(zhàn)場，只需要２名操作人員就可完成單兵防護(hù)裝 備和武器零部件的現(xiàn)場生產(chǎn)。

２）３Ｄ打印的便捷性及材料的可攜行性，能夠有效緩解保障需求多樣和備件攜行不便的困難，為實(shí)現(xiàn)抵前跟隨保障提供重要技術(shù)手段。信息化裝備系統(tǒng)復(fù)雜，零部件多，任何一個(gè)零部件出問題， 都可能影響裝備效能發(fā)揮和功能失效。信息化戰(zhàn)爭節(jié)奏加快、戰(zhàn)場破壞性增大等特點(diǎn)加劇了戰(zhàn)場維修保障需求， 提高了備件器材消耗速度，使裝備維修保障備件器材供應(yīng)更加困難，任務(wù)更為繁重，傳統(tǒng)的戰(zhàn)場搶修、拼修在得不到有效備件保障情況下，很難滿足維修保障需求。３Ｄ打印機(jī)攜行便捷，打印材料易于攜帶和臨時(shí)就近采購，通過抵前和跟隨保障，能夠盡量滿足保障需求，提高維修保障效率。美軍２００３年部署的“零件野戰(zhàn)醫(yī)院” 系統(tǒng)，采用激光快速成形技術(shù)生產(chǎn)備件，不到２ａ時(shí)間就生產(chǎn)了１萬多新備件， 很好地滿足了美軍海外任務(wù)的執(zhí)行。

３）３Ｄ打印的快速性， 可顯著降低保障資源準(zhǔn)備時(shí)間和后送時(shí)間， 為實(shí)現(xiàn)即時(shí)保障提供重要技術(shù)手段。信息化戰(zhàn)爭作戰(zhàn)行動(dòng)迅速，交戰(zhàn)雙方力求充分發(fā)揮各自信息技術(shù)優(yōu)勢，在最短時(shí)間內(nèi)，以最小代價(jià)速戰(zhàn)速?zèng)Q，這種快速作戰(zhàn)模式要求裝備保障必須快速、及時(shí)、高效。３Ｄ打印速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)“ 需要即獲取，損傷即修復(fù)”的即時(shí)保障。

３Ｄ打印已經(jīng)具備快速打印和大尺寸部件打印的 能力。目前，美國用最先進(jìn)的３Ｄ打印機(jī)，１ｈ就能夠制造出總質(zhì)量約１８ｋｇ的武器，而且能夠打印出長約為５．８ｍ、寬與高約為１．２ｍ的物品， 中國也可打印長約４ｍ、寬與高約為２ｍ的部件 。３Ｄ打印機(jī)能夠分散制造， 通過電子制圖、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術(shù)，可快 速把部件的電子模型圖變成實(shí)物，大大縮短保障時(shí)間。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來看，使用相同數(shù)量的耗材制造零件，３Ｄ打印機(jī)的生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)方法 的３倍。

４）３Ｄ打印的定制化功能， 可為實(shí)現(xiàn)新作戰(zhàn)空域的伴隨保障提供重要技術(shù)手段。信息化戰(zhàn)場多維化、立體化擴(kuò)大了裝備維修保障空間，從傳統(tǒng)的陸地、海洋、空中已擴(kuò)展至臨近空間和太空等空域， 要適應(yīng)這種新特點(diǎn)，就必須發(fā)展相應(yīng)維度的裝備維修保障手段。３Ｄ打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)定制化保障和無備件保障，通過在維修保障方倉配備３Ｄ打印機(jī)，能夠有效解決空間站、宇宙飛船和遠(yuǎn)洋艦船等作戰(zhàn)空域面臨的伴隨保障難題， 為解決戰(zhàn)場多維、保障點(diǎn)多和散的問題提供有效的保障手段。

美國國家研究委員會(huì)２０１４年７月１８日發(fā)布《太空３Ｄ打印》報(bào)告認(rèn)為，３Ｄ打印技術(shù)能夠?yàn)楹教烊蝿?wù)帶來積極幫助，如在軌制造替換零件，不必頻繁向太空運(yùn)送備件或替換零件，減少發(fā)射需求；太空３Ｄ打印可以削減原料成本， 減小有效載荷尺寸。美國海軍設(shè)想未來將海上補(bǔ)給艦改造為大型３Ｄ打印船，可根據(jù)遠(yuǎn)洋艦船保障需要進(jìn)行實(shí)時(shí)生產(chǎn)制造， 使制造過程與運(yùn)輸過程同步，成為為海軍艦隊(duì)提供作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)備件保障的海上浮動(dòng)工廠。

２ ３Ｄ打印技術(shù)對信息化戰(zhàn)爭裝備
保障產(chǎn)生的影響   未來信息化戰(zhàn)場， 對裝備維修保障能力提出了更高的要求， 將面臨戰(zhàn)場搶修、備件快速制造、部件可靠性維修性再設(shè)計(jì)、維修保障模式創(chuàng)新、修理預(yù)案設(shè)置等諸多維修保障問題。從長遠(yuǎn)發(fā)展和應(yīng)用看，３Ｄ打印技術(shù)在裝備維修領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，能夠?yàn)樾畔⒒瘧?zhàn)爭裝備維修保障提供重要技術(shù)手段。

１）提升裝備快速維修能力。３Ｄ打印具有材 料制備、零備件一體化特點(diǎn)，可現(xiàn)場加工、現(xiàn)場成型、快速替換，與傳統(tǒng)維修需要后送加工、戰(zhàn)場前遞相比， 節(jié)奏大為縮短，維修更加快速，還具有前所未有的制造柔性。一是３Ｄ打印可數(shù)字化制造，大幅提升了維修保障效率。傳統(tǒng)的部件和備件制造要依靠模具，工序耗時(shí)長，利用３Ｄ打印技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)“一個(gè)人就是一家工廠”，只要數(shù)小時(shí)，就可以形成修改后的數(shù)字化“模具”三維數(shù)據(jù)，并迅速投入生產(chǎn)，從而大大提升裝備維修保障效率。二是可針對裝備上無法拆卸的部件進(jìn)行原位快速修復(fù)。在故障部件能夠局部可觸的情況下，可用３Ｄ打印快速修復(fù)故障部位。美國的ＡＶ－８鷂式戰(zhàn)機(jī)在起飛過程中發(fā)生故障，硬著陸時(shí)戰(zhàn)機(jī)鼻錐輕微受損，工作人員采用３Ｄ數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和增值材料技術(shù)對其進(jìn)行原位修復(fù)， 大大節(jié)省了維修成本和時(shí)間 。三是可快速增材再制造修復(fù)損傷零部件。針對裝備使用過程中損傷的零部件，利用３Ｄ打印技術(shù)，建立損傷部位的再制造模型，可實(shí)現(xiàn)零件的快速增材再制造成形， 恢復(fù)其形狀尺寸及理化性能，甚至使零部件性能在恢復(fù)后得到提升 。

２）輔助裝備維修性設(shè)計(jì)。３Ｄ打印技術(shù)能夠 快速根據(jù)零部件設(shè)計(jì)圖打印出零件模型，無需進(jìn)行模具開發(fā)， 生產(chǎn)工藝簡單，可推廣應(yīng)用于裝備維修性設(shè)計(jì)。一是在裝備設(shè)計(jì)階段，可通過３Ｄ打印技術(shù)快速生成裝備模型，對裝備維修性中的可達(dá)性、拆解性等進(jìn)行驗(yàn)證。二是３Ｄ打印可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀零件的“自由制造”，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度對工藝影響不大，可以解決過去傳統(tǒng)加工方式難以制造的零件成形，從而改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升裝備的維修性。三是根據(jù)部件可靠性、維修性指標(biāo)，可以設(shè)計(jì)一些戰(zhàn)損替代部件，適當(dāng)降低備件指標(biāo)性能盡可能滿足戰(zhàn)場基本需求。根據(jù)這個(gè)修理理念， 廠家可設(shè)計(jì)出專門供戰(zhàn)場臨時(shí)替換的替代備件三維數(shù)學(xué)模型。

３ ）用于戰(zhàn)時(shí)快速制造備件和維修工具。隨著裝備系統(tǒng)日益復(fù)雜，導(dǎo)致裝備零部件種類多、數(shù)量大，而且損傷類型多樣，無法及時(shí)供應(yīng)備件和維修工具，３Ｄ打印可以快速實(shí)現(xiàn)備件和工具制造，滿足戰(zhàn)損裝備應(yīng)急搶修需求。一是可快速制造戰(zhàn)時(shí)裝備備件。戰(zhàn)時(shí)， 技術(shù)保障人員可隨時(shí)利用儲(chǔ)存的部件三維數(shù)字圖像，快速打印出備件，為戰(zhàn)損裝備應(yīng)急搶修提供有效的解決方案。二是可快速生產(chǎn)戰(zhàn)時(shí)維修工具設(shè)備。利用３Ｄ打印技術(shù)，一線維修人員可根據(jù)預(yù)先準(zhǔn)備的數(shù)字化圖紙，現(xiàn)場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。美國航天局正積極探索在太空任務(wù)中使用３Ｄ打印技術(shù)， 為宇航員打印所需工具和零備件。

４）推動(dòng)裝備維修保障模式創(chuàng)新發(fā)展。３Ｄ打 印技術(shù)是實(shí)現(xiàn)靠前維修、戰(zhàn)損即維修的重要技術(shù)手段，在伴隨保障、靠前保障和裝備巡修方面越來越體現(xiàn)其優(yōu)勢。

一是使靠前維修成為裝備維修保障的重要手段。３Ｄ打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用， 使裝備維修保障機(jī)構(gòu)能最大限度地靠近作戰(zhàn)地域進(jìn)行配置，及時(shí)為一線作戰(zhàn)部隊(duì)提供其所需要的各種維修服務(wù)，確保部隊(duì)具有持久的戰(zhàn)斗力。

二是使伴隨保障成為新作戰(zhàn)空域維修保障的主要手段。信息化戰(zhàn)爭條件下，未來作戰(zhàn)范圍更加廣闊，作戰(zhàn)空間更加多樣， 太空作戰(zhàn)和遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)等新的作戰(zhàn)樣式將給部隊(duì)裝備維修保障帶來更大困難，通過配備３Ｄ打印設(shè)備進(jìn)行伴隨保障，能夠突破空間與地域的限制， 更好地解決臨時(shí)搶修中備件“帶的用不上，用的沒帶上”等突出問題。

三是使裝備巡修成為提升部隊(duì)裝備戰(zhàn)備完好的有效手段。目前，部隊(duì)裝備巡修工作量大、效率低，每次巡修只能針對某幾種裝備， 發(fā)揮作用有限，如果部隊(duì)開展巡修時(shí)能夠配備３Ｄ打印機(jī)和打印材料，既能滿足部隊(duì)維修需要，又能增加維修的適應(yīng)范圍，從而大大提高裝備巡修效率。

５ ）推動(dòng)裝備維修方案的科學(xué)設(shè)置。在裝備維修保障體系中，裝備修理預(yù)案的設(shè)定對裝備維修保障能力提升具有重大影響，利用３Ｄ打印技術(shù)， 裝備生產(chǎn)設(shè)計(jì)單位可根據(jù)部件可靠性、維修性和保障性等指標(biāo)，預(yù)先為裝備和部件設(shè)計(jì)好３Ｄ打印修理預(yù)案。

一是對部件按修理等級(jí)進(jìn)行分類， 研究確定哪些是關(guān)鍵部件，確定部件損傷概率、部件修理響應(yīng)時(shí)間、部件打印時(shí)間、部件材料特性和部件可拆卸性等指標(biāo)，并按照這些特點(diǎn)對可３Ｄ打印的關(guān)鍵零部件進(jìn)行分類。

二是設(shè)置部件的修理手段，修理手段有很多種，如直接更換備件、３Ｄ打印快速增材再制造成形、３Ｄ打印原位修復(fù)、 拼修等。三是設(shè)置多級(jí)修理預(yù)案，根據(jù)戰(zhàn)場情況、設(shè)計(jì)情況和使用情況，把３Ｄ打印修理技術(shù)手段與故障類別對應(yīng)起來，根據(jù)戰(zhàn)場的緊急程度，設(shè)置多級(jí)修理預(yù)案，提高裝備維修效率。

３ 推進(jìn)３Ｄ打印技術(shù)應(yīng)用于裝備維
修保障的思考   著眼于維修保障能力的快速提升和裝備維修保障體系的深刻變革，為不斷縮短我國與軍事強(qiáng)國維修保障能力差距， 應(yīng)在國家和軍隊(duì)數(shù)字制造發(fā)展計(jì)劃框架下，充分把握３Ｄ打印技術(shù)發(fā)展在裝備維修保障領(lǐng)域的應(yīng)用前景，進(jìn)行以下思考。

１）理清軍事需求。３Ｄ打印技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的軍事需求是指導(dǎo)我軍３Ｄ打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于裝備維修保障領(lǐng)域的重要前提。在總體需求方面，明確３Ｄ打印技術(shù)是軍隊(duì)裝備維修保障的重要技術(shù)手段，將成為部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的倍增器，對信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障是一種顛覆性的創(chuàng)新，要找準(zhǔn)３Ｄ打印技術(shù)在裝備維修保障領(lǐng)域應(yīng)用的方向和關(guān)鍵技術(shù)突破點(diǎn)；在作戰(zhàn)任務(wù)需求方面，從裝備維修保障任務(wù)著手，確定３Ｄ打印設(shè)備的配備需求， 打印材料的采購需求，零部件三維數(shù)字模型需求； 在技術(shù)發(fā)展需求方面，從基于互聯(lián)網(wǎng)與開源思想的數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展視角，確定我軍３Ｄ打印技術(shù)、材料技術(shù)、軟件研發(fā)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。

２）明確發(fā)展目標(biāo)。依據(jù)３Ｄ打印技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和我國３Ｄ打印技術(shù)在維修保障領(lǐng)域應(yīng)用前景與需求，明確近遠(yuǎn)期目標(biāo)。近期目標(biāo)（２０１５－２０２０年） 是發(fā)展金屬成形、非金屬成形等３Ｄ打印技術(shù)，加快推進(jìn)３Ｄ打印由快速原型向快速模具、快速零件、快速工具方向發(fā)展，進(jìn)一步提升３Ｄ打印精度和速度，降低打印成本，研發(fā)更多打印材料，提高３Ｄ打印在裝備維修保障中的修理比重。遠(yuǎn)期目標(biāo)（２０２０－２０３０年）是發(fā)展智能結(jié)構(gòu)和生物材料成形等３Ｄ打印技術(shù)，重點(diǎn)突破陶瓷材料、生物活性材料３Ｄ打印，加快推進(jìn)３Ｄ打印由快速原型制造到產(chǎn)品開發(fā)和批量制造， 初步具備向太空配備３Ｄ打印維修方倉的能力和就地取材進(jìn)行零部件３Ｄ打印的能力。

３ ）制定技術(shù)發(fā)展路線。廣泛開展機(jī)械制造、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和材料科學(xué)等學(xué)科研究，加強(qiáng)ＣＡＤ／ＣＡＭ技術(shù)、 數(shù)據(jù)處理技術(shù)、材料技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等技術(shù)的研究與應(yīng)用；加強(qiáng)３Ｄ成形工藝的基礎(chǔ)技術(shù)、過程控制、過程建模與分析研究； 開展數(shù)字化設(shè)計(jì)與分析、復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能件的３Ｄ打印制造、生物增材制造、超精密增材制造等３Ｄ打印前沿性技術(shù)研究；繼續(xù)發(fā)展基于高能束的立體光刻造型工藝技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)工藝技術(shù)和薄形材料選擇性切割技術(shù)、基于微滴噴擠的噴射快速成形技術(shù)、 選擇性熔融堆積技術(shù)等；大力發(fā)展３Ｄ打印精度控制技術(shù)、高效制造技術(shù)、復(fù)合材料增材制造技術(shù)等技術(shù)。

４）實(shí)施舉措建議。

一是加強(qiáng)組織管理，為３Ｄ打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用創(chuàng)造政策支撐條件。從國家層面重視對３Ｄ打印技術(shù)發(fā)展的規(guī)劃設(shè)計(jì)，做到統(tǒng)一發(fā)展規(guī)劃、統(tǒng)一資源配置、統(tǒng)一技術(shù)體制、統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，確保３Ｄ打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的科學(xué)實(shí)施，防止規(guī)劃亂象，標(biāo)準(zhǔn)不一。

二是開展基礎(chǔ)研究和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究，為３Ｄ打印技術(shù)發(fā)展與在裝備維修保障領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。在國家和軍隊(duì)數(shù)字制造發(fā)展計(jì)劃框架下，加強(qiáng)制造原理、方法、工藝、材料的研究創(chuàng)新，研發(fā) 出更多可供３Ｄ打印的材料，進(jìn)一步提高３Ｄ打印的成形精度與打印速度；推動(dòng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范軍民一體化，研究材料性能標(biāo)準(zhǔn)、軟件接口標(biāo)準(zhǔn)、制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、制造工藝規(guī)范和元器件性能標(biāo)準(zhǔn)等，加快建立３Ｄ打印技術(shù)在維修保障領(lǐng)域應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系。

三是加強(qiáng)３Ｄ打印材料和軟件技術(shù)研發(fā)，滿足更多零備件打印需求。３Ｄ打印材料與軟件技術(shù)的研發(fā)和突破是３Ｄ打印技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)， 也是滿足備件打印和部件修復(fù)再制造的根本保證，要加強(qiáng)陶瓷及復(fù)合材料、智能材料與結(jié)構(gòu)、生物材料與活性器官再造等材料的研制，形成完備的打印材料體系；要推進(jìn)我國數(shù)字化、智能化水平，加強(qiáng)３Ｄ打印軟件設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)。

４ 結(jié)束語
３Ｄ打印技術(shù)之所以能引起全球高度關(guān)注， 是因?yàn)樗�確實(shí)是一項(xiàng)顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)，很可能帶動(dòng)新一輪工業(yè)革命。３Ｄ打印技術(shù)已經(jīng)在武器裝備設(shè)計(jì)、制造和使用保障等領(lǐng)域開展了廣泛應(yīng)用，在未來的信息化戰(zhàn)爭裝備維修保障領(lǐng)域，必將發(fā)揮舉足輕重的作用。要著眼我軍裝備維修保障需求，加強(qiáng)組織管理，深入廣泛開展基礎(chǔ)研究和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究，明確３Ｄ打印技術(shù)發(fā)展目標(biāo)，制定３Ｄ打印技術(shù)發(fā)展路線， 為提升信息化條件下裝備維修保障能力和推動(dòng)裝備維修保障變革創(chuàng)新提供重要技術(shù)手段和理論支撐。

延伸閱讀：
南極熊深度解析——3D打印技術(shù)對武器裝備發(fā)展的影響

編輯：南極熊
作者：郭繼周， 吳 集， 鄧啟文（國防科技大學(xué)國防科技與武器裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究中心）