3D打印技术对部队任务中机械备件应急维修保障的革新

摘要：面对当前快进程、大跨度的复杂战争特点和广分散、高隐蔽的战场环境，及时高效的战场装备维修保障能力已经成为决定战争胜负的关键因素之一。近年来，3D打印技术发展迅猛，其制件时间短、成型质量高、配套设备少等显著优势，十分契合战场装备快速维修保障需求，已经引起各国军方的高度重视，特别是随着世界军事强国不断的实践探索，3D打印技术已然成为战场装备备件应急修复及制造的新的重要选择。

关键词：3D打印；机械备件；应急维修保障

0  引言

当前，新型武器装备所具备的系统功能更加集成、结构样式更加复杂、作战地域更加宽泛等新特点，能够更好适应信息化条件下部队作战任务对武器装备的相关需求，但战场装备应急维修保障也随之面临时效要求高、保障范围广、任务压力大等新要求，装备应急维修保障能力的高低已经成为影响部队作战能力的重要因素。结合近年来部队执行演训任务情况看，装备伴随保障要素能够携带的装备零部件数量通常比较有限，且携带的种类、数量均是基于平时统计梳理，当装备出现偶发、少发故障时，经常会面临“突发需求供应不足、后方前送耗时又长、携带备件冗余过多”等矛盾问题。加之新旧武器装备的快速迭代，一些老旧、停产或配发较少但尚未退役的装备，所需备件甚至连厂家也没有库存，直接面临着无备件可用的尴尬局面。此外，在日常装备维修保障过程中，“厂家不愿上门、维修周期漫长、经济效益低下、训练损失严重”等客观难题依然存在。近年来，随着3D打印技术的快速发展，特别是在航空航天、机械制造、备件维修等领域的广泛应用，其所具备的制造时间短、过程可控、自动化程度高，以及能够提供定制化、轻量化和远程化设计服务的优势，为装备维修保障拓宽了新思路、提供了新机遇。

1.  3D打印技术在备件保障中的研究现状

当前，3D打印技术在世界各国引起高度重视，并占据重要地位。英国《The Economist》杂志《The Third Industrial Revolution》刊文中，将3D打印技术作为“第三次工业革命”的重要标志之一[1]。2024年2月1日，由国家发展改革委修订发布的《产业结构调整指导目录（2024年本）》，作为引导和优化产业结构，促进经济高质量发展的重要文件，明确将3D打相关领域全部纳入鼓励类，并特别指出增材制造装备及专用材料发展两个方向，为3D打印技术的高质量发展和广泛应用提供了政策支持。

1.1  国内研究现状

近年来，随着工业4.0的深入推进和先进智能制造的快速发展，3D打印技术的地位作用得到进一步提升，我国很多科研院校都将3D打印技术作为重要研究领域，并取得显著科研成果，推动我国制造业快速发展。西北工业大学和北京航空航天大学等高校在大型钛合金复杂金属构建打印方面进行了深入研究，且部分技术已经达到世界先进水平，填补了我国相关领域空白。西安交通大学自主研发的三维打印机喷头，在光固化成型系统、成型材料等方面也取得了突破性进展，成型精度可达0.2mm[2]。中航重机在2000年研究的3D激光焊接快速成型技术，已应用于我国多款新型军用飞机，并起到关键作用。国产最新型四代隐身战机某些关键部件也是采用3D打印技术制造。

1.2  国外研究现状

3D打印技术在国外的发展应用也十分成熟广泛。德国InssTek公司使用Grand Teton 3D打印机，利用专有的DMT技术为韩国空军成功完成了F-15K战斗机钛合金发动机护罩和钴合金空气密封件的修复工作[3]。美国通用电气公司，采用3D打印技术，完成离心式发动机燃油喷嘴进行一体化成型打印，实现了18个零部件的一体化成型，既降低了工序复杂度，也节约了大量时间成本，提高了经济效益。法国Prodways公司开发的MOVINGLight技术，是一种适用于功能树脂和陶瓷材料打印的高精度批量化制造3D打印技术，该技术在齿科模型和生物相容性材料的生产中表现出高效率和高质量。此外，德国研究人员开发的一种廉价的纳米级3D打印工艺，使用蓝色激光二极管，简化了控制系统，降低了打印成本，对3D打印技术在电子产品领域的推广应用具有重要意义。法国研究人员开发的基于FDM技术进行磷酸盐玻璃打印的方法，为尖端光学组件和新型生物医学设备的制造带来新的可能性。

2. 3D打印在备件应急维修保障中的可行性分析

作为3D打印技术实际应用于装备备件保障的前置条件，如何从打印材料、制备技术等方面对备件保障对象进行分类和适配，不同的使用场景、应用条件和性能要求都会有不同的结果。下面主要从满足部队演训及战时装备备件应急保障任务需求出发，通过对装备备件及3D打印材料进行通用化分析，对典型、常用且成熟的3D打印制备工艺进行适应性分析，对3D打印在备件应急维修保障中的可行性进行分析。

2.1装备备件及3D打印材料分析

部队武器装备的常用备份零部件种类繁多，通过对某型轮式装备的备件进行分析，可将其备附件及配套工具归纳为各种整机总成、面板、架体、支杆、开关、阀门、过滤器、轴缸、连接件、软硬导管、密封及保护防尘盖等数十类，从材质上来看，主要是金属类和塑胶类。同时，通过对文献资料的研究整理可知，目前可用于3D打印的材料主要呈粉末状、丝状及颗粒状等，非常便于机动携行，同时在打印过程中材料浪费极少，比较契合部队演训及作战任务时，对维修保障分队提出的快速机动要求，从3D打印材料种类看，主要分为金属类、树脂类、橡胶类、陶瓷类、生物类、砂石类、石墨烯、纤维素等8个大类。通过对装备备件及3D打印材料的分析可知，就军用装备备件而言，比较适合的3D打印材料主要包括金属类、ABS树脂类、橡胶类以及陶瓷类材料等。从当前3D打印技术应用情况看，金属类和树脂类材料是使用量最大、应用较成熟的打印材料，且两类材料的产品的性能和覆盖度也是最好的。

2.23D打印备件通用化分析

装备的零部件种类繁多，涉及的材料也多种多样。对于部队在执行跨区演训及作战任务时，备件保障的目的是保证装备能够完成作战任务或实现短时间工作，因此并不需要备件必须达到原件的性能标准，只要能满足临时的作战需求即可。装备备件的材质通常有结构钢、铝合金、镁合金、复合材料、橡胶、绝缘材料等多种材料类型，但对于3D打印来说，只要成型件的强度、冲击、振动以及疲劳寿命等主要参数能够满足装备应急工作需求，就可以对备件成型材料进行通用化分析和归类，并不需要与备件原材质保持完全一致。因此对于金属类备件，可以通过常用的3D打印金属材料进行代替，对于塑胶类备件，也可以通过常用的ABS树脂等塑胶类材料进行代替。这样既减少了3D打印机种类的编配，也便于打印材料的供应保障。

2.33D打印工艺适应性分析

根据成型工艺的不同，3D打印技术可以分为很多种。当前，技术成熟、应用广泛的主流快速成型技术主要包括：三维打印与胶粘技术（3DP）、激光立体光固化技术（SLA）、选择性激光熔化技术（SLM）、熔融沉积成型技术（FDM）、叠层实体制造技术（LOM）以及激光材料沉积技术（LENS）等。不同3D打印成型原理与技术名称对照如表1所示。

2.4 备件保障对象分析

就目前情况看，对于装备备件平时保障，由于可以充分利用驻地备件存储的优势，而且考虑目前3D打印的经济性问题，基于3D打印的备件保障主要是一些结构复杂的备件和易损件。但随着3D打印技术的快速发展特别是成本优势的不断凸显，对于后续的装备备件平时保障，尽管目前3D打印的单件性价比不高，但相对于目前的大量库存费用，以及备用件之间匹配性较差的问题，基于3D打印实现零库存备份具有较强的现实意义，符合目前军队的发展需求。而对于跨区驻训、红蓝对抗等实战化训练以及作战时，受限于备件的供应和作战时效等问题，3D打印的优势能够得到很好的体现。比如平时一个垫片，一根金属导管，传统制造的经济性较好，且很容易找到实物备份，而战时更加注重保障的效率。基于此，以某型装备机械备件为例，对相关典型备件进行梳理，可得各类别备件及其可采用的3D打印工艺如表2所示。

3  总结

论文在系统梳理3D打印技术发展应用的基础上，立足部队演训任务及战场备件应急保障任务需求，阐述了3D打印技术应用于军队装备机械备件维修保障的显著优势，为装备快速维修保障提供了新思路。

参考文献

[1]吴平.3D打印技术及其未来发展趋势[J].印刷质量与标准化，2014，（01）：8-10.

[2]本刊记者.简谈3D打印现状及在各行业的应用[J].信息技术与信息化，2014，（04）：10-14+9.

[3]鸿淼，臣墨.美国海军三叉戟Ⅱ D5导弹使用首个3D打印部件[J].飞航导弹， 2016（4）：1.