淺談3D打印技術(shù)對(duì)船艇器材保障的影響

文：趙天忠 陸序 王靜

修器材保障是軍事裝備保障不可或缺的重要組成部分。戰(zhàn)場(chǎng)上的維修器材保障要求齊全、快速、備便，但是由于軍事裝備損壞部位難以預(yù)測(cè)，同時(shí)前線保障分隊(duì)的器材攜行能力受限，加之遠(yuǎn)離后方器材供應(yīng)倉(cāng)庫(kù)，常常會(huì)出現(xiàn)維修器材短缺或供應(yīng)不及時(shí)的情況，從而影響了戰(zhàn)損裝備的修復(fù)。作為推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命的重要技術(shù)之一——3D打印技術(shù)，正在走向戰(zhàn)場(chǎng)。以美軍為首的世界各軍事強(qiáng)國(guó)渴望應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，解決戰(zhàn)場(chǎng)維修器材保障問(wèn)題，因而已經(jīng)加速了相關(guān)技術(shù)的研究、使用和普及，并使得軍事裝備設(shè)計(jì)與制造、軍事裝備保障等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了顛覆性的變化。

3D打印過(guò)程
3D打印包括創(chuàng)建3D打印數(shù)據(jù)、打印實(shí)物和后處理等三個(gè)過(guò)程。

1.  創(chuàng)建3D打印數(shù)據(jù)
創(chuàng)建3D打印數(shù)據(jù)包括零件3D模型的建立、近似處理和分層切片。3D模型可通過(guò)三維CAD軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生，也可通過(guò)3D掃描儀掃描已有樣品產(chǎn)生。近似處理是將3D設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化為通用STL格式文件。分層切片是將3D模型轉(zhuǎn)化為一系列的二維截面圖，并形成打印機(jī)的控制指令。

2.  打印實(shí)物
打印實(shí)物是將膠體或粉末等“打印材料”裝入打印機(jī)，再將打印機(jī)與電腦相連接，通過(guò)打印軟件讀取設(shè)計(jì)繪圖數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印機(jī)，從而控制印刷頭的移動(dòng)與材料輸出。在3D打印機(jī)工作時(shí)，材料細(xì)絲與可溶性支撐材料將被加熱至半液體狀態(tài)，然后通過(guò)印刷頭輸出，精確地沉積成極其細(xì)微的分層，把“打印材料”和三維立體模型一層層疊加，這些截面層依次結(jié)合或熔融成最終的工件形狀。

3.  后處理
后處理過(guò)程主要包括工件與支撐材料的分離、必要的表面打磨和拋光處理等，根據(jù)需要也可對(duì)工件進(jìn)行強(qiáng)化處理和熱處理等，以滿足軍事裝備的性能需求。

3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用
在軍事領(lǐng)域中，世界各國(guó)不甘落后，積極發(fā)展并應(yīng)用3D打印技術(shù)，在眾多領(lǐng)域涌現(xiàn)出令人矚目的應(yīng)用成果。
（一）航空航天裝備
航空航天是3D打印技術(shù)運(yùn)用最廣泛的領(lǐng)域之一，國(guó)內(nèi)外均已有許多成功的應(yīng)用案例。洛克希德馬丁公司在F-35戰(zhàn)斗機(jī)副翼翼梁上使用了Sciaky公司3D打印的鈦合金零件，并進(jìn)行了飛行測(cè)試驗(yàn)證。兩個(gè)公司還聯(lián)合研制了F-22戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金支座，并經(jīng)過(guò)了全壽命光譜疲勞試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)。英國(guó)皇家空軍1架裝配有3D打印金屬部件的旋風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)試飛成功，其裝配的3D打印部件包括駕駛室的無(wú)線電防護(hù)罩、起落架防護(hù)裝置及進(jìn)氣口支架。2013年歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)采用3D打印技術(shù)，用熱塑性材料制造出了微型無(wú)人機(jī)原型和無(wú)人機(jī)暫用零件。2012年，美國(guó)華盛頓州立大學(xué)某研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了旨在利用3D打印技術(shù)為小型科研衛(wèi)星生產(chǎn)金屬和陶瓷零部件的探索性研究項(xiàng)目。2013年，該研究團(tuán)隊(duì)演示了利用3D打印設(shè)備和仿月球巖石材料生產(chǎn)零部件的相關(guān)工作，使美國(guó)的“太空制造”計(jì)劃向前邁進(jìn)了重要的一步。中國(guó)首艘航空母艦“遼寧”號(hào)艦載機(jī)殲-15是于2012年10月至11月首飛成功的機(jī)型，它廣泛使用了3D打印技術(shù)制造鈦合金主承力部分，包括整個(gè)前起落架。我國(guó)在殲-20和殲-31研發(fā)過(guò)程中也采用了3D打印技術(shù)。

（二）裝備維修
在裝備維修方面，3D打印技術(shù)將顛覆傳統(tǒng)的器材保障方式。一旦零件損壞，只要有零件的3D模型數(shù)據(jù)，就可以在短時(shí)間內(nèi)制造出來(lái)，而不必等待供應(yīng)商的工廠制造，保證了戰(zhàn)時(shí)的緊急維修。而且就目前而言，使用相同數(shù)量的耗材制造維修器材，3D打印機(jī)的生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)方法的3倍。美軍于2012年8月與2013年1月，兩次向阿富汗部署了可移動(dòng)的3D打印實(shí)驗(yàn)室，可以將鋁、塑料和鋼材等材料現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)加工成所需零部件，包括單兵防護(hù)裝備和武器零部件。美國(guó)Optomec公司利用3D打印技術(shù)為美國(guó)空軍修復(fù)了高價(jià)值的航空金屬部件。安妮斯頓陸軍基地利用3D打印技術(shù)對(duì)M1艾布拉姆斯坦克的燃?xì)鉁u輪進(jìn)行了修復(fù)，效果明顯達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心已經(jīng)利用3D打印技術(shù)進(jìn)行了老舊零件與工裝的維修。近年來(lái)，中國(guó)海軍開(kāi)始在驅(qū)逐艦上裝備微型加工車(chē)間，應(yīng)用3D打印技術(shù)快速修復(fù)受損零部件，大大提高了裝備保障效率。

（三）軍事電子
3D打印技術(shù)在軍事電子方面的應(yīng)用場(chǎng)景已開(kāi)始逐漸露出端倪。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研究采用3D打印技術(shù)制作了有機(jī)底電極場(chǎng)效應(yīng)晶體管。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)學(xué)者已打印出了三維微型曲面天線，深圳微航磁電有限公司在2013年采用3D打印技術(shù)制作了希爾伯特衛(wèi)星GPS天線，獲得了比四臂螺旋天線更好的性能。采用特殊噴頭，3D打印機(jī)可以噴射金屬焊料，用于形成芯片倒裝焊中的晶片凸點(diǎn)，也特別適合于難度很高的三維電氣互聯(lián)。

3D打印技術(shù)對(duì)船艇器材保障的影響
隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展和可適用的打印原材料范圍不斷擴(kuò)展，勢(shì)必對(duì)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)船艇器材保障產(chǎn)生變革性影響。

(一)船艇器材補(bǔ)給模式將由“支援投送”向“現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)”轉(zhuǎn)變
傳統(tǒng)模式下,短缺的船艇器材常常需要依托后方保障基地前出支援投送。這種支援投送式船艇器材補(bǔ)給模式不僅耗時(shí)、耗力、效率低下，甚至還可能需要作戰(zhàn)兵力提供輸送過(guò)程中的安全保護(hù)。但隨著3D打印機(jī)向小型化、機(jī)動(dòng)化和多功能性發(fā)展，3D打印機(jī)完全可以由維修人員自身攜帶或伴隨任務(wù)部隊(duì)機(jī)動(dòng)部署。借助機(jī)動(dòng)式3D打印設(shè)備，任務(wù)部隊(duì)自身可以“即需即造”,不受后方保障基地的制約，隨時(shí)隨地直接生產(chǎn)各種急需短缺的船艇器材，不僅安全快捷，而且可以做到適時(shí)、適地、適量的精確化保障。

(二)  船艇器材戰(zhàn)儲(chǔ)模式將由“實(shí)物重點(diǎn)儲(chǔ)備”向“技術(shù)數(shù)據(jù)儲(chǔ)備”轉(zhuǎn)變
傳統(tǒng)的船艇器材戰(zhàn)儲(chǔ)，是根據(jù)作戰(zhàn)類(lèi)型和作戰(zhàn)任務(wù)，對(duì)戰(zhàn)時(shí)所需的維修器材進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)影響戰(zhàn)技性能的器材進(jìn)行大批量實(shí)物重點(diǎn)儲(chǔ)備。這種儲(chǔ)備模式下，船艇器材必須一定時(shí)期內(nèi)占用倉(cāng)儲(chǔ)空間，管理成本高，保管工作量大。同時(shí)長(zhǎng)期儲(chǔ)備的船艇器材還會(huì)因?yàn)楸９懿坏轿唬�出現(xiàn)銹蝕、老化等情況導(dǎo)致報(bào)廢。而采用3D打印設(shè)備，只要有相關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，任何船艇器材都可打印制造出來(lái)，能充分滿足戰(zhàn)場(chǎng)需要。船艇器材儲(chǔ)備倉(cāng)庫(kù)將被3D打印數(shù)據(jù)制作和數(shù)據(jù)儲(chǔ)備中心所取代，3D打印數(shù)據(jù)制作和數(shù)據(jù)儲(chǔ)備中心可以全面存儲(chǔ)戰(zhàn)場(chǎng)所需船艇維修器材的技術(shù)數(shù)據(jù)，不用擔(dān)憂船艇器材的漏儲(chǔ)、少儲(chǔ)的情況，不僅節(jié)約倉(cāng)儲(chǔ)空間，降低管理成本，而且保障準(zhǔn)確率高，沒(méi)有浪費(fèi)，其軍事經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。


(三） 船艇器材保障人員將由“專(zhuān)業(yè)型服務(wù)人員”向“專(zhuān)家型設(shè)計(jì)制造人員”轉(zhuǎn)變
3D打印技術(shù)的應(yīng)用，將改變傳統(tǒng)船艇器材保障人員的角色定位。未來(lái)的船艇器材保障人員不再是局限于儲(chǔ)備、運(yùn)輸、補(bǔ)給、再儲(chǔ)備、再運(yùn)輸、再補(bǔ)給等日常事務(wù)處理的專(zhuān)業(yè)型服務(wù)人員，而應(yīng)是熟練掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、熟悉材料學(xué)和加工工藝知識(shí)的專(zhuān)家型設(shè)計(jì)制造人員。根據(jù)船艇裝備維修的需要，及時(shí)設(shè)計(jì)并打印制造出質(zhì)量合格的船艇器材，將對(duì)船艇器材保障人員的素質(zhì)能力提出非常高的要求。

(四） 船艇器材來(lái)源將由“專(zhuān)業(yè)廠家制造”向“部隊(duì)制造”轉(zhuǎn)變
傳統(tǒng)的船艇器材來(lái)源于專(zhuān)業(yè)廠家的制造，其保障能否及時(shí)很大程度上取決于專(zhuān)業(yè)制造廠家的服務(wù)水平和運(yùn)營(yíng)情況。其中，進(jìn)口柴油機(jī)設(shè)備和部分老舊裝備的維修器材，一直存在供貨渠道單一，甚至供貨渠道短缺的情況，不僅價(jià)格偏高，而且購(gòu)置困難。應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行船艇器材保障，可以不受市場(chǎng)影響和專(zhuān)業(yè)廠家的制約，船艇部隊(duì)完全可立足于自我制造。無(wú)論是國(guó)產(chǎn)設(shè)備還是進(jìn)口設(shè)備，新型裝備還是老舊裝備，其維修所需的器材都可以3D打印制造，省掉了船艇器材的訂購(gòu)、包裝、運(yùn)輸?shù)戎T多中間環(huán)節(jié)，保證了船艇器材保障的及時(shí)性和快速性。

作者：趙天忠 陸序 王靜