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【中國智能制造網(wǎng) 學(xué)術(shù)論文】近年來，3D打印技術(shù)日益受到重視，關(guān)鍵技術(shù)研究不斷取得突破，性能不斷提升，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用取得重要進展，進入發(fā)展與應(yīng)用的快車道。3D打印將在武器裝備的設(shè)計，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。
深度解析3D打印技術(shù)對武器裝備發(fā)展的影響
3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造相比，3D打印具有小批量制造成本低、速度快，復(fù)雜制造能力好，材料利用率高，適應(yīng)性好等優(yōu)點，應(yīng)用于武器裝備發(fā)展時能夠顯著縮短武器裝備研制時間，減少研制費用，提高武器裝備性能，降低武器裝備成本，提高維修保障時效性與精度。在世界各國的廣泛關(guān)注與大力推進下，近年來3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用不斷取得突破，顯示了良好的軍事應(yīng)用前景，將對武器裝備的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。
一、3D打印技術(shù)不斷取得突破，軍事應(yīng)用取得重要進展
近年來，3D打印技術(shù)日益受到重視，關(guān)鍵技術(shù)研究不斷取得突破，性能不斷提升，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用取得重要進展，進入發(fā)展與應(yīng)用的快車道。
1.3D打印技術(shù)日益受到重視，成為各國全力搶奪的戰(zhàn)略重點
隨著快速成型技術(shù)、材料技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景日益凸顯，成為多個國家的發(fā)展重點。美國將3D打印技術(shù)列為國家重點發(fā)展技術(shù)，集全國之力進行發(fā)展，搶占發(fā)展先機。2012年，美國在重整制造業(yè)計劃中將3D打印技術(shù)列為重點發(fā)展的11項技術(shù)之一，并作為其“全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”研究中心的主要研究方向。“全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”是美國“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)”計劃的產(chǎn)物，由15家制造業(yè)創(chuàng)新研究所組成，主要研究對美國制造業(yè)發(fā)展具有重要作用的創(chuàng)新技術(shù)。 我國也高度重視3D打印技術(shù)，采取多種措施推動其快速發(fā)展?？傃b備部、國防科工局、國家自然科學(xué)基金委員會等部門對鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形進行了持續(xù)多年的重點資助，取得了顯著成績?？萍疾空谥贫?D打印技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，必將進一步推動其快速發(fā)展。
2.3D打印技術(shù)不斷取得突破，技術(shù)成熟度及性能不斷提升
近年來，3D打印技術(shù)的研究穩(wěn)步推進，取得系列重要進展，技術(shù)成熟度及性能不斷提升。美國3D打印技術(shù)研究取得重要進展，技術(shù)成熟度及性能顯著提升，初步達到工業(yè)應(yīng)用水平。 2012年，美國Sciaky公司的新型電子束3D打印 技術(shù)取得重要突破，具備大型金屬部件加工能力，美國國防部和洛克希德·馬丁公司準備將其用于生產(chǎn)F-35戰(zhàn)斗機的鈦、鉭、鉻鎳鐵合金等高價值材料的高品質(zhì)零部件，前期檢測全部達到要求。 3DSystems公司的激光熔融技術(shù)取得重要進展，美國空軍將在此基礎(chǔ)上開發(fā)用于打印F-35戰(zhàn)斗機和其他武器系統(tǒng)的3D打印機。
美國太空制造 公司的太空3D打印技術(shù)的成熟度達到6級，具備在太空中的模型或樣機演示能力，2012年11月獲得NASA的第二階段合同，進一步將技術(shù)成熟度提升到8級，完成實際系統(tǒng)并通過試驗和驗證，終具備應(yīng)用于太空站維修、升級和延壽，載荷升級改進，硬件太空制造等方面的能力，2014年向空間站運送首臺3D打印機。 我國的激光快速成形3D打印技術(shù)已達到水平。北京航空航天大學(xué)已掌握使用激光快速成形技術(shù)制造超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)，并成功應(yīng)用于武器裝備研制，相關(guān)成果“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲2012年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。西北工業(yè)大學(xué)掌握了一次打印超過5米長的鈦金屬飛機部件的3D打印技術(shù)。
3.3D打印技術(shù)應(yīng)用不斷拓展與深化，技術(shù)效益不斷發(fā)揮
隨著技術(shù)成熟度及性能的提升，3D打印技術(shù)近年來應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，在武器裝備設(shè)計、制造、維修等領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用。 設(shè)計方面，美國NASA在設(shè)計新一代大型運載火箭的核心部件時，利用大型Makerbot3D打印機進行模具成型，制造設(shè)計部件。此3D打印機采用選擇性激光熔煉技術(shù)，用激光將金屬粉末加熱成型，相比數(shù)控機床制造，既可以縮短制造時間，又可以提高制造精度，降低制造成本，一舉多得。 制造方面，3D打印技術(shù)在大型、復(fù)雜部件制造等方面的應(yīng)用不斷取得突破。
2002年，美國開始將激光成形鈦合金零件裝上戰(zhàn)機試驗。但由于無法解決制造過程中鈦合金變形、斷裂等技術(shù)難題，美國始終只能生產(chǎn)小尺寸鈦合金部件和對鈦合金零件表面進行修復(fù)[8]。近年，美國積極開展3D打印技術(shù)生產(chǎn)大型鈦合金部件的研究。美國軍方和軍 工企業(yè)正與3DSystems和Sciaky等3D打印技術(shù)公司合作，推進大尺寸鈦合金3D打印技術(shù)在戰(zhàn)斗機制造上的應(yīng)用。
2013年，美國開始使用3D打印技術(shù)批量生產(chǎn)噴氣發(fā)動的燃料噴嘴。在3D打印技術(shù)應(yīng)用于輕型物質(zhì)制造方面，2013年，美國“固體概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金屬gun，能夠連續(xù)發(fā)射50發(fā)子彈并保持完好。 維修方面，美國已開始部署基于3D打印技術(shù)的維修保障裝備。2012年7月和2013年1月，美軍部署了兩個移動遠征實驗室，用于裝備維修保障。此移動遠征實驗室是一個20英尺長的標準集裝箱，可通過卡車或直升機運送至任何地點，利用3D打印機和計算機數(shù)字控制設(shè)備將鋁、塑料和鋼 材等原材料加工成所需零部件。
此舉可以在戰(zhàn)場快速生成需要的零部件，甚至快速設(shè)計和生產(chǎn)急需的裝備，實現(xiàn)及時保障。此外，美國陸軍開發(fā)了一種輕質(zhì)便宜的3D打印機，可以放到背包中，用于在戰(zhàn)場中快速、便宜地制造替換零件。 我國3D打印技術(shù)在武器裝備中的應(yīng)用已取得一定成績，是目前世界上掌握鈦合金大型主承力構(gòu)件激光快速成形制造技術(shù)并工程應(yīng)用的國家。北京航空航天大學(xué)和西北大學(xué)的3D打印技術(shù)已成功應(yīng)用于多個國產(chǎn)航空項目的原型機制造。我國自主研發(fā)的大型客機C919的主風(fēng)擋窗框、大中央翼根肋，以及正在設(shè)計的新型戰(zhàn)斗機的鈦合金主體結(jié)構(gòu)都采用激光快速成形技術(shù)制造，有效降低了飛機的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機的推重比，并縮短了設(shè)計時間，在新型戰(zhàn)斗機的快速研制中發(fā)揮了重要作用。
總體來看，3D打印技術(shù)的發(fā)展已取得重要進展，部分領(lǐng)域已具備較高的技術(shù)水平，取得初步的應(yīng)用成果，顯示了良好的發(fā)展前景。但3D打印技術(shù)尚處于技術(shù)發(fā)展階段，還存在可打印原材料少，打印精度較低、速度較慢，打印成本高等問題，制約了其在武器裝備中的進一步應(yīng)用。隨著材料技術(shù)、高精度控制技術(shù)、制造技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與進步，3D打印技術(shù)必將在武器裝備發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。
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