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        淺談3D打印技術對船艇器材保障的影響

        來源:奧蘭電子科技 時間:2019-01-29 14:38:16 瀏覽量:
        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。戰場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測,同時前線保障分隊的器材攜行能力受限,加之遠離后方器材供應倉庫,常常會出現維修器材短缺或供應不及時的情況,從而影響了戰損裝備的修復。作為推動實現第三次工業革命的重要技術之一——3D打印技術,正在走向戰場。以美軍為首的世界各軍事強國渴望應用此項技術,解決戰場維修器材保障問題,因而已經加速了相關技術的研究、使用和普及,并使得軍事裝備設計與制造、軍事裝備保障等多個領域產生了顛覆性的變化。

        3D打印過程
        3D打印包括創建3D打印數據、打印實物和后處理等三個過程。

        1.  創建3D打印數據
        創建3D打印數據包括零件3D模型的建立、近似處理和分層切片。3D模型可通過三維CAD軟件設計產生,也可通過3D掃描儀掃描已有樣品產生。近似處理是將3D設計模型轉化為通用STL格式文件。分層切片是將3D模型轉化為一系列的二維截面圖,并形成打印機的控制指令。

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

        3.  后處理
        后處理過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,根據需要也可對工件進行強化處理和熱處理等,以滿足軍事裝備的性能需求。

        3D打印技術在軍事領域中的應用
        在軍事領域中,世界各國不甘落后,積極發展并應用3D打印技術,在眾多領域涌現出令人矚目的應用成果。
        (一)航空航天裝備
        航空航天是3D打印技術運用最廣泛的領域之一,國內外均已有許多成功的應用案例。洛克希德馬丁公司在F-35戰斗機副翼翼梁上使用了Sciaky公司3D打印的鈦合金零件,并進行了飛行測試驗證。兩個公司還聯合研制了F-22戰斗機鈦合金支座,并經過了全壽命光譜疲勞試驗和負載試驗。英國皇家空軍1架裝配有3D打印金屬部件的旋風戰斗機試飛成功,其裝配的3D打印部件包括駕駛室的無線電防護罩、起落架防護裝置及進氣口支架。2013年歐洲宇航防務集團采用3D打印技術,用熱塑性材料制造出了微型無人機原型和無人機暫用零件。2012年,美國華盛頓州立大學某研究團隊,開展了旨在利用3D打印技術為小型科研衛星生產金屬和陶瓷零部件的探索性研究項目。2013年,該研究團隊演示了利用3D打印設備和仿月球巖石材料生產零部件的相關工作,使美國的“太空制造”計劃向前邁進了重要的一步。中國首艘航空母艦“遼寧”號艦載機殲-15是于2012年10月至11月首飛成功的機型,它廣泛使用了3D打印技術制造鈦合金主承力部分,包括整個前起落架。我國在殲-20和殲-31研發過程中也采用了3D打印技術。

        (二)裝備維修
        在裝備維修方面,3D打印技術將顛覆傳統的器材保障方式。一旦零件損壞,只要有零件的3D模型數據,就可以在短時間內制造出來,而不必等待供應商的工廠制造,保證了戰時的緊急維修。而且就目前而言,使用相同數量的耗材制造維修器材,3D打印機的生產效率是傳統方法的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的3D打印實驗室,可以將鋁、塑料和鋼材等材料現場生產加工成所需零部件,包括單兵防護裝備和武器零部件。美國Optomec公司利用3D打印技術為美國空軍修復了高價值的航空金屬部件。安妮斯頓陸軍基地利用3D打印技術對M1艾布拉姆斯坦克的燃氣渦輪進行了修復,效果明顯達到了預期目標。美國海軍水下作戰中心已經利用3D打印技術進行了老舊零件與工裝的維修。近年來,中國海軍開始在驅逐艦上裝備微型加工車間,應用3D打印技術快速修復受損零部件,大大提高了裝備保障效率。

        (三)軍事電子
        3D打印技術在軍事電子方面的應用場景已開始逐漸露出端倪。美國加利福尼亞大學伯克利分校研究采用3D打印技術制作了有機底電極場效應晶體管。美國伊利諾伊大學學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打印技術制作了希爾伯特衛星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打印機可以噴射金屬焊料,用于形成芯片倒裝焊中的晶片凸點,也特別適合于難度很高的三維電氣互聯。

        3D打印技術對船艇器材保障的影響
        隨著3D打印技術的飛速發展和可適用的打印原材料范圍不斷擴展,勢必對未來戰場船艇器材保障產生變革性影響。

        (一)船艇器材補給模式將由“支援投送”向“現場生產”轉變
        傳統模式下,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給模式不僅耗時、耗力、效率低下,甚至還可能需要作戰兵力提供輸送過程中的安全保護。但隨著3D打印機向小型化、機動化和多功能性發展,3D打印機完全可以由維修人員自身攜帶或伴隨任務部隊機動部署。借助機動式3D打印設備,任務部隊自身可以“即需即造”,不受后方保障基地的制約,隨時隨地直接生產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、適地、適量的精確化保障。

        (二)  船艇器材戰儲模式將由“實物重點儲備”向“技術數據儲備”轉變
        傳統的船艇器材戰儲,是根據作戰類型和作戰任務,對戰時所需的維修器材進行預測,并對影響戰技性能的器材進行大批量實物重點儲備。這種儲備模式下,船艇器材必須一定時期內占用倉儲空間,管理成本高,保管工作量大。同時長期儲備的船艇器材還會因為保管不到位,出現銹蝕、老化等情況導致報廢。而采用3D打印設備,只要有相關的計算機輔助設計數據,任何船艇器材都可打印制造出來,能充分滿足戰場需要。船艇器材儲備倉庫將被3D打印數據制作和數據儲備中心所取代,3D打印數據制作和數據儲備中心可以全面存儲戰場所需船艇維修器材的技術數據,不用擔憂船艇器材的漏儲、少儲的情況,不僅節約倉儲空間,降低管理成本,而且保障準確率高,沒有浪費,其軍事經濟效益不言而喻。


        (三) 船艇器材保障人員將由“專業型服務人員”向“專家型設計制造人員”轉變
        3D打印技術的應用,將改變傳統船艇器材保障人員的角色定位。未來的船艇器材保障人員不再是局限于儲備、運輸、補給、再儲備、再運輸、再補給等日常事務處理的專業型服務人員,而應是熟練掌握計算機輔助設計、熟悉材料學和加工工藝知識的專家型設計制造人員。根據船艇裝備維修的需要,及時設計并打印制造出質量合格的船艇器材,將對船艇器材保障人員的素質能力提出非常高的要求。

        (四) 船艇器材來源將由“專業廠家制造”向“部隊制造”轉變
        傳統的船艇器材來源于專業廠家的制造,其保障能否及時很大程度上取決于專業制造廠家的服務水平和運營情況。其中,進口柴油機設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,不僅價格偏高,而且購置困難。應用3D打印技術進行船艇器材保障,可以不受市場影響和專業廠家的制約,船艇部隊完全可立足于自我制造。無論是國產設備還是進口設備,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、包裝、運輸等諸多中間環節,保證了船艇器材保障的及時性和快速性。

        作者:趙天忠 陸序 王靜

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