深度解析3D打印技術(shù)對武器裝備發(fā)展的影響(2)
二、3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用將對武器裝備發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響
受技術(shù)、成本的限制，3D打印技術(shù)難以取代大規(guī)模流水線生產(chǎn)，但其不需要模具，可實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到零件的直接轉(zhuǎn)化，完成快速、自由的制造，將在武器裝備的設(shè)計(jì)，復(fù)雜、昂貴部件的制造，以及維修保障等方面得到廣泛的應(yīng)用，對武器裝備發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。
1.小批量制造成本低、速度快，可顯著降低武器裝備研制風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制時(shí)間
武器裝備越來越復(fù)雜，研制時(shí)只有通過多輪的設(shè)計(jì)-原型機(jī)生產(chǎn)-試驗(yàn)-修改設(shè)計(jì)-原型機(jī)再生產(chǎn)-再試驗(yàn)過程，通過原型機(jī)重復(fù)試驗(yàn)才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并修正。但原型機(jī)的產(chǎn)量極小，采用傳統(tǒng)制造方式的時(shí)間長、成本高，造成武器裝備研制的周期長，費(fèi)用高。美國F-35戰(zhàn)斗機(jī)因?yàn)檠兄七^程中的反復(fù)實(shí)驗(yàn)與制造，造成研制時(shí)間多次延長，研制費(fèi)用顯著增加。
3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)制造方式的鑄錠、制胚、模具、模鍛等過程，可以快速、低成本地進(jìn)行原型機(jī)生產(chǎn)，且整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化,可隨時(shí)修正、隨時(shí)制造，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量的驗(yàn)證性試驗(yàn)，從而顯著降低研制風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制時(shí)間、降低研制費(fèi)用。NASA在“好奇號”火星車和新一代大型運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)中，已采用3D打印技術(shù)進(jìn)行零件的快速制造。我國新型戰(zhàn)斗機(jī)起落架的關(guān)鍵零部件等也采用激光快速成形技術(shù)制造，極大地縮短了研制周期。
2.復(fù)雜制造能力好，可完成傳統(tǒng)方法難以完成的制造，提高武器裝備性能
3D打印技術(shù)不需要預(yù)先制作模型，是真正的自由制造,可以成型幾乎任意形狀的零件，對具有 復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件特別有效。如制造復(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)雜的坦克裝甲等關(guān)鍵武器零部件。3D打印技術(shù)還能顯著提高零部件的關(guān)鍵性能。
采用激光燒結(jié)技術(shù)制造的零件具有超過或者等同于鍛件的性能，特別是高溫、持久、抗疲勞等性能。如采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制造的飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度鋼，其抗疲勞強(qiáng)度可比鍛件高20%，制造的渦輪葉片的900度疲勞強(qiáng)度可以比第二代單晶高40%。此外，3D打印技術(shù)還可用于局部成份控制，生產(chǎn)局部材料屬性（如折射率、導(dǎo)電性、磁性、硬度等）可控的功能梯度材料，使材料呈現(xiàn)出一些特殊的性能。DARPA正在資助用3D打印機(jī)打印梯度折射率透鏡（石英）的研究，可用于研制光學(xué)隱身斗篷。
3.材料利用率高，可有效降低先進(jìn)武器生產(chǎn)成本
傳統(tǒng)的制造是“減材制造”，通過在原材料坯件上進(jìn)行切削、擠壓等操作，把多余的原料去除，加工出所需部件形狀，加工過程中去除的原材料難以回收利用，原材料浪費(fèi)嚴(yán)重。如美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)中尺寸最大鈦合金整體加強(qiáng)框零件的重量不足144千克，而毛坯模鍛件重達(dá)2796千克，鈦合金材料的利用率不到5.2%。昂貴材料的大量浪費(fèi)，直接推高武器裝備的成本，使得武器裝備越來越難以承受。美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)的成本超過2億美元，即使美國這樣的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國也難以大量承擔(dān)。3D打印只在需要的地方添加原材料，材料利用率極高，能夠充分利用昂貴的原材料，顯著降低武器裝備的成本。如采用激光成形技術(shù)，C919飛機(jī)中央翼根肋的精坯重量僅為136千克，相比傳統(tǒng)制造方法1607千克的鍛件毛坯，可以節(jié)省91.5%的昂貴的鈦合金材料。
4.具備快速制造不同零部件的能力，可有效提升武器裝備維修保障的實(shí)時(shí)性、精確性
當(dāng)前，裝備維修保障主要采取冗余備份的方式，即預(yù)先準(zhǔn)備大量零部件，在裝備受損時(shí)進(jìn)行替換。由于裝備受損情況難以預(yù)測，這種方式容易產(chǎn)生保障不足和保障過量兩種情況。保障不足時(shí)將因?yàn)轭A(yù)先準(zhǔn)備的配件少而影響武器裝備的及時(shí)修復(fù)，保障過量時(shí)將因?yàn)轭A(yù)先準(zhǔn)備的配件過多而增大保障壓力。3D打印技術(shù)具備快速制造不同零部件的能力，只要有電子設(shè)計(jì)圖紙及打印材料，可根據(jù)需要快速打印出各種部件。應(yīng)用于維修保障時(shí)，可在戰(zhàn)場快速打印出受損部件，及時(shí)精確地完成受損裝備的維修保障，快速恢復(fù)作戰(zhàn)能力。認(rèn)識到 3D打印技術(shù)在提高裝備維修保障中潛在的巨大作用，美國積極探索3D打印技術(shù)在裝備維修保障中的應(yīng)用，于2012年和2013年部署了兩個(gè)基于3D打印技術(shù)的移動遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室[11][12]，驗(yàn)證基于3D 打印技術(shù)的裝備維修保障。
加快3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是彌補(bǔ)我國當(dāng)前武器裝備設(shè)計(jì)、制造與維修保障能力的不足，提升研發(fā)效率，降低制造成本，提高維修保障時(shí)效性與精度的有效途徑。我國3D打印技術(shù)在鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形等方向居于世界領(lǐng)先地位，但整體水平仍有很大的提升空間。應(yīng)著眼武器裝備長遠(yuǎn)發(fā)展，統(tǒng)籌規(guī)劃，匯聚各方面力量推動3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)“能打仗、打勝仗”的目標(biāo)提供技術(shù)支撐。
一是將3D打印技術(shù)作 為我國制造業(yè)升級的關(guān)鍵，軍民融合、整合資源，集全國之力進(jìn)行發(fā)展；
二是針對當(dāng)前存在的問題，加強(qiáng)材料技術(shù)3D打印核心關(guān)鍵技術(shù)研究，改變我國核心關(guān)鍵設(shè)備受制于人的狀況；
三是積極探索 3D打印技術(shù)在武器裝備建設(shè)中的應(yīng)用，以應(yīng)用牽 引技術(shù)發(fā)展方向與重點(diǎn)。
作者：鄧啟文，郭繼周，吳 集 （國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)國防科技與武器裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究中心）陳強(qiáng)（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系）
(責(zé)任編輯：admin)
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