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【速解析】深度解析3D打印技术对武器装备发展的影响

2017-09-19 阅读 2092

近年来,3D打印技术日益受到重视,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重要进展,进入发展与应用的快车道。3D打印将在武器装备的设计,复杂、昂贵部件的制造,以及维修保障等方面得到广泛的应用,对武器装备发展产生积极的影响。 

 
  3D打印技术与传统制造相比,3D打印具有小批量制造成本低、速度快,复杂制造能力好,材料利用率高,适应性好等优点,应用于武器装备发展时能够显著缩短武器装备研制时间,减少研制费用,提高武器装备性能,降低武器装备成本,提高维修保障时效性与精度。在世界各国的广泛关注与大力推进下,近年来3D打印技术的发展与应用不断取得突破,显示了良好的军事应用前景,将对武器装备的发展产生深远影响。
 
  一、3D打印技术不断取得突破,军事应用取得重要进展
 
  近年来,3D打印技术日益受到重视,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重要进展,进入发展与应用的快车道。
 
  1.3D打印技术日益受到重视,成为各国全力抢夺的战略重点
 
  随着快速成型技术、材料技术等关键技术的发展,3D打印技术的应用前景日益凸显,成为多个国家的发展重点。美国将3D打印技术列为国家重点发展技术,集全国之力进行发展,抢占发展先机。2012年,美国在重整制造业计划中将3D打印技术列为重点发展的11项技术之一,并作为其“全美制造业创新网络”首家研究中心的主要研究方向。“全美制造业创新网络”是美国“制造创新国家网络”计划的产物,由15家制造业创新研究所组成,主要研究对美国制造业发展具有重要作用的创新技术。 我国也高度重视3D打印技术,采取多种措施推动其快速发展。总装备部、国防科工局、国家自然科学基金委员会等部门对钛合金结构件激光快速成形进行了持续多年的重点资助,取得了显著成绩。科技部正在制定3D打印技术发展战略,必将进一步推动其快速发展。
 
  2.3D打印技术不断取得突破,技术成熟度及性能不断提升
 
  近年来,3D打印技术的研究稳步推进,取得系列重要进展,技术成熟度及性能不断提升。美国3D打印技术研究取得重要进展,技术成熟度及性能显著提升,初步达到工业应用水平。 2012年,美国Sciaky公司的新型电子束3D打印 技术取得重要突破,具备大型金属部件加工能力,美国国防部和洛克希德·马丁公司准备将其用于生产F-35战斗机的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质零部件,前期检测全部达到要求。 3DSystems公司的激光熔融技术取得重要进展,美国空军将在此基础上开发用于打印F-35战斗机和其他武器系统的3D打印机。
 
  美国太空制造 公司的太空3D打印技术的成熟度达到6级,具备在太空中的模型或样机演示能力,2012年11月获得NASA的第二阶段合同,进一步将技术成熟度提升到8级,完成实际系统并通过试验和验证,最终具备应用于太空站维修、升级和延寿,载荷升级改进,硬件太空制造等方面的能力,2014年向国际空间站运送首台3D打印机。 我国的激光快速成形3D打印技术已达到世界领先水平。北京航空航天大学已掌握使用激光快速成形技术制造超过12平方米的复杂钛合金构件的技术,并成功应用于武器装备研制,相关成果“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获2012年度国家技术发明奖一等奖。西北工业大学掌握了一次打印超过5米长的钛金属飞机部件的3D打印技术。
 
  3.3D打印技术应用不断拓展与深化,技术效益不断发挥
 
  随着技术成熟度及性能的提升,3D打印技术近年来应用领域不断拓展,在武器装备设计、制造、维修等领域发挥日益重要的作用。 设计方面,美国NASA在设计新一代大型运载火箭的核心部件时,利用大型Makerbot3D打印机进行模具成型,制造设计部件。此3D打印机采用选择性激光熔炼技术,用激光将金属粉末加热成型,相比数控机床制造,既可以缩短制造时间,又可以提高制造精度,降低制造成本,一举多得。 制造方面,3D打印技术在大型、复杂部件制造等方面的应用不断取得突破。
 
  2002年,美国开始将激光成形钛合金零件装上战机试验。但由于无法解决制造过程中钛合金变形、断裂等技术难题,美国始终只能生产小尺寸钛合金部件和对钛合金零件表面进行修复[8]。近年,美国积极开展3D打印技术生产大型钛合金部件的研究。美国军方和军 工企业正与3DSystems和Sciaky等3D打印技术公司合作,推进大尺寸钛合金3D打印技术在战斗机制造上的应用。
 
  2013年,美国开始使用3D打印技术批量生产喷气发动的燃料喷嘴。在3D打印技术应用于轻型物质制造方面,2013年,美国“固体概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金属gun,能够连续发射50发子弹并保持完好。 维修方面,美国已开始部署基于3D打印技术的维修保障装备。2012年7月和2013年1月,美军部署了两个移动远征实验室,用于装备维修保障。此移动远征实验室是一个20英尺长的标准集装箱,可通过卡车或直升机运送至任何地点,利用3D打印机和计算机数字控制设备将铝、塑料和钢 材等原材料加工成所需零部件。
 
  此举可以在战场快速生成需要的零部件,甚至快速设计和生产急需的装备,实现及时精确保障。此外,美国陆军开发了一种轻质便宜的3D打印机,可以放到背包中,用于在战场中快速、便宜地制造替换零件。 我国3D打印技术在武器装备中的应用已取得一定成绩,是目前世界上唯一掌握钛合金大型主承力构件激光快速成形制造技术并工程应用的国家。北京航空航天大学和西北大学的3D打印技术已成功应用于多个国产航空项目的原型机制造。我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框、大中央翼根肋,以及正在设计的新型战斗机的钛合金主体结构都采用激光快速成形技术制造,有效降低了飞机的结构重量,提高了战机的推重比,并缩短了设计时间,在新型战斗机的快速研制中发挥了重要作用。
 
  总体来看,3D打印技术的发展已取得重要进展,部分领域已具备较高的技术水平,取得初步的应用成果,显示了良好的发展前景。但3D打印技术尚处于技术发展阶段,还存在可打印原材料少,打印精度较低、速度较慢,打印成本高等问题,制约了其在武器装备中的进一步应用。随着材料技术、高精度控制技术、高效制造技术等关键技术的发展与进步,3D打印技术必将在武器装备发展中发挥更大的作用。

    二、3D打印技术在军事领域的应用将对武器装备发展产生深远的影响 

 
  受技术、成本的限制,3D打印技术难以取代大规模流水线生产,但其不需要模具,可实现从设计到零件的直接转化,完成快速、自由的制造,将在武器装备的设计,复杂、昂贵部件的制造,以及维修保障等方面得到广泛的应用,对武器装备发展产生积极的影响。
 
  1.小批量制造成本低、速度快,可显著降低武器装备研制风险、缩短研制时间
 
  武器装备越来越复杂,研制时只有通过多轮的设计-原型机生产-试验-修改设计-原型机再生产-再试验过程,通过原型机重复试验才能及时发现问题并修正。但原型机的产量极小,采用传统制造方式的时间长、成本高,造成武器装备研制的周期长,费用高。美国F-35战斗机因为研制过程中的反复实验与制造,造成研制时间多次延长,研制费用显著增加。
 
  3D打印技术不需要传统制造方式的铸锭、制胚、模具、模锻等过程,可以快速、低成本地进行原型机生产,且整个生产过程数字化,可随时修正、随时制造,在短时间内进行大量的验证性试验,从而显著降低研制风险、缩短研制时间、降低研制费用。NASA在“好奇号”火星车和新一代大型运载火箭设计中,已采用3D打印技术进行零件的快速制造。我国新型战斗机起落架的关键零部件等也采用激光快速成形技术制造,极大地缩短了研制周期。
 
  2.复杂制造能力好,可完成传统方法难以完成的制造,提高武器装备性能
 
  3D打印技术不需要预先制作模型,是真正的自由制造,可以成型几乎任意形状的零件,对具有复杂内部结构的零件特别有效。如制造复杂的钛合金结构部件,具有复杂内部冷却通道的航空发动机涡轮叶片,内部材料和结构复杂的坦克装甲等关键武器零部件。3D打印技术还能显著提高零部件的关键性能。
 
  采用激光烧结技术制造的零件具有超过或者等同于锻件的性能,特别是高温、持久、抗疲劳等性能。如采用选择性激光烧结技术制造的飞机起落架用超高强度钢,其抗疲劳强度可比锻件高20%,制造的涡轮叶片的900度疲劳强度可以比第二代单晶高40%。此外,3D打印技术还可用于局部成份控制,生产局部材料属性(如折射率、导电性、磁性、硬度等)可控的功能梯度材料,使材料呈现出一些特殊的性能。DARPA正在资助用3D打印机打印梯度折射率透镜(石英)的研究,可用于研制光学隐身斗篷。
 
  3.材料利用率高,可有效降低先进武器生产成本
 
  传统的制造是“减材制造”,通过在原材料坯件上进行切削、挤压等操作,把多余的原料去除,加工出所需部件形状,加工过程中去除的原材料难以回收利用,原材料浪费严重。如美国F-22战斗机中尺寸最大钛合金整体加强框零件的重量不足144千克,而毛坯模锻件重达2796千克,钛合金材料的利用率不到5.2%。昂贵材料的大量浪费,直接推高武器装备的成本,使得武器装备越来越难以承受。美国F-22战斗机的成本超过2亿美元,即使美国这样的经济强国也难以大量承担。3D打印只在需要的地方添加原材料,材料利用率极高,能够充分利用昂贵的原材料,显著降低武器装备的成本。如采用激光成形技术,C919飞机中央翼根肋的精坯重量仅为136千克,相比传统制造方法1607千克的锻件毛坯,可以节省91.5%的昂贵的钛合金材料。
 
  4.具备快速制造不同零部件的能力,可有效提升武器装备维修保障的实时性、精确性
 
  当前,装备维修保障主要采取冗余备份的方式,即预先准备大量零部件,在装备受损时进行替换。由于装备受损情况难以预测,这种方式容易产生保障不足和保障过量两种情况。保障不足时将因为预先准备的配件少而影响武器装备的及时修复,保障过量时将因为预先准备的配件过多而增大保障压力。3D打印技术具备快速制造不同零部件的能力,只要有电子设计图纸及打印材料,可根据需要快速打印出各种部件。应用于维修保障时,可在战场快速打印出受损部件,及时精确地完成受损装备的维修保障,快速恢复作战能力。认识到 3D打印技术在提高装备维修保障中潜在的巨大作用,美国积极探索3D打印技术在装备维修保障中的应用,于2012年和2013年部署了两个基于3D打印技术的移动远征实验室,验证基于3D 打印技术的装备维修保障。
 
  加快3D打印技术的发展与应用是弥补我国当前武器装备设计、制造与维修保障能力的不足,提升研发效率,降低制造成本,提高维修保障时效性与精度的有效途径。我国3D打印技术在钛合金大型复杂整体构件激光成形等方向居于世界领先地位,但整体水平仍有很大的提升空间。应着眼武器装备长远发展,统筹规划,汇聚各方面力量推动3D打印技术的发展与应用,为实现“能打仗、打胜仗”的目标提供技术支撑。
 
  一是将3D打印技术作为我国制造业升级的关键,军民融合、整合资源,集全国之力进行发展;
 
  二是针对当前存在的问题,加强材料技术3D打印核心关键技术研究,改变我国核心关键设备受制于人的状况;
 
  三是积极探索 3D打印技术在武器装备建设中的应用,以应用牵引技术发展方向与重点。


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