3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢
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周加永，紀(jì)平鑫，莫新民，張 昂，孟小凈
（西北機(jī)電工程研究所，陜西 成陽 712099）
摘要：闡述了3D打印技術(shù)的原理與分類，對3D打印設(shè)備在世界各地的分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對其發(fā)展概況進(jìn)行了概述。分別從武器裝備研制、武器裝備維修、制造偽裝防護(hù)設(shè)備、后勤保障以及制作醫(yī)療部件與 救助用具5個(gè)方面對3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并分析了3D打印技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；軍事領(lǐng)域；應(yīng)用
中圖分類號：TP3 91.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
0 引言
3D打印技術(shù)作為一種新型的制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工有著完全不同的加工理念，不用模具和機(jī)械加工可直接根據(jù)所設(shè)計(jì)的三維模型就能加工出任何形狀的零件，大大縮短了加工周期、降低了工藝的復(fù)雜程度，使生產(chǎn)效率得到了有效提高。由于實(shí)際的需要以及各國政府的大力支持，3D打印技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，大到房屋小到金銀首飾都可以通過3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具體應(yīng)用在航空航天、武器裝備、工模具設(shè)計(jì)、醫(yī)療、建筑等多個(gè)不同的行業(yè)之中[1]。
1 3D打印技術(shù)的原理及分類
3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，它與傳統(tǒng)打印機(jī)的工作原理相似，不同的是所用的打印材料不同；3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，智能化程度更高，根據(jù)不同的產(chǎn)品、不同的材料快速打印出最終的產(chǎn)品或零部件[2]。3D打印技術(shù)的原理為：①設(shè)計(jì)師根據(jù)具體需求利用三維軟件設(shè)計(jì)出零部件的三維模型；②將所設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行分層處理，根據(jù)所分層及結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行編程；③將所設(shè)計(jì)的三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式輸入到3D打印機(jī)中，根據(jù)零件的具體要求選擇金屬粉末、工藝類型等；④準(zhǔn)備就緒后在平面內(nèi)黏結(jié)成截面形狀，然后在垂直于平面的方向進(jìn)行層層疊加，最終形成三維實(shí)體。
3D打印技術(shù)的工藝與傳統(tǒng)切削技術(shù)工藝相反，二者的比較見表1。3D打印技術(shù)主要有熔融沉積成型(FDM-Fused Deposition Modeling)、選擇性激光燒結(jié)(SLS-Selected Laser Sintering)、選擇性激光熔融(SLM-Selective Laser Melting)、立體光刻（SLA-Ster-eo lithography Appearance)、電子束熔化(EBM-Elec-tron Beam Melting)、分層實(shí)體制造(LOM-Laminated Object Manufacturing)等幾種類型，具體類型和屬性見表2。
2 3D打印技術(shù)的發(fā)展概況
根據(jù)Wohlers Associates發(fā)布的2013年度報(bào)告顯示，擁有3D打印設(shè)備最多的國家是美國、日本、德國和中國，這4個(gè)國家擁有的3D打印設(shè)備占全球3D打印設(shè)備的比例分別為38%、9.7%、9.4%和8.7%[3]。3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用所占比重分別為：消費(fèi)電子領(lǐng)域20. 3%、汽車領(lǐng)域19. 5%、醫(yī)療領(lǐng)域15.1%、航空航天領(lǐng)域10. 91%、工業(yè)及商用機(jī)器領(lǐng)域
10. 8%、科研用途領(lǐng)域7.91%、政府／軍事領(lǐng)域6.31%、建筑／地理信息領(lǐng)域4%、其他領(lǐng)域5.17%[4]。從發(fā)展趨勢來看，3D打印技術(shù)在航空航天和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用增速最快，并且在航空航天和醫(yī)療設(shè)備等高端領(lǐng)域，3D打印產(chǎn)業(yè)正在獲利；在軍事領(lǐng)域雖然目前所占的比重不是很大，但是在不久的將來，3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域定會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。3 3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用
3.1 武器裝備研制
利用3D打印技術(shù)進(jìn)行武器裝備研發(fā)時(shí)，工程師可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行創(chuàng)意驗(yàn)證和模具制作，對一些特殊、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件可以直接打印，同時(shí)能有效地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的輕量化。
3.1.1航空航天裝備
終級噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)由美國的GE航空公司利用3D打印技術(shù)制造出來，該公司計(jì)劃將3D打印技術(shù)應(yīng)用在下一代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)制造上。737無人機(jī)模型PETRA的主要組件實(shí)現(xiàn)了3D打印技術(shù)的制造（包括副翼、燃料箱、襟翼、操縱面等），并實(shí)現(xiàn)了完美的試飛測試。美國太空制造公司專門設(shè)計(jì)用于國際空間站微重力制造項(xiàng)目的3D打印機(jī)已通過NASA最后的驗(yàn)證測試，并發(fā)送到了國際空間站。F-35飛機(jī)3米長的機(jī)翼鈦合金零部件、F-15獵鷹噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)鐵合金外掛架冀肋備件、UH-60直升機(jī)門把手等當(dāng)今先進(jìn)的軍用飛機(jī)的相關(guān)零部件已由3D打印技術(shù)制造出來，與傳統(tǒng)工藝相比成本下降了很多，從而驗(yàn)證了3D打印技術(shù)在成本方面具有一定優(yōu)勢[5]。
我國用了近十年的時(shí)間研發(fā)成功了殲-10飛機(jī)，艦載機(jī)殲-15僅用了3年的時(shí)間就研發(fā)成功，關(guān)鍵零部件應(yīng)用了3D打印技術(shù)，極大地縮短了研發(fā)周期�，F(xiàn)在殲-20和殲-31在研發(fā)過程中已經(jīng)采用了3D打印技術(shù)。中國商飛和西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，利用3D打印技術(shù)制造了C919大飛機(jī)的中央翼緣條。中航工業(yè)一飛院與北京航空航天大學(xué)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，將全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)與最新的3D打印技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)打印出了多個(gè)滿足強(qiáng)度、剛度和使用功能要求的飛機(jī)部件。
3.1.2海軍裝備
為了生產(chǎn)重量輕、成本低并能滿足作戰(zhàn)性能指標(biāo)要求的無人機(jī)，美國海軍打算利用3D打印技術(shù)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)。美國海軍計(jì)劃將航空母艦、巡洋艦以及驅(qū)逐艦等打造成可以移動(dòng)的海上3D打印工廠，實(shí)現(xiàn)相關(guān)武器裝備的按需打印，提高艦上空間的利用率[6]。
3.1.3輕武器裝備
美國Solid Concepts公司利用3D打印技術(shù)制造了世界上第一只金屬手槍，并測試成功，該3D打印的金屬手槍由30多個(gè)零件組成，經(jīng)測試該3D打印手槍的射程比常規(guī)手槍差一些但精度相當(dāng)。AR-15半自動(dòng)步槍的彈匣及其他部件也已經(jīng)由3D打印技術(shù)制造出來，該槍能夠射擊600多次，綜合性能良好。目前制約3D打印技術(shù)的問題是材料，如果金屬粉末材料問題能夠得到解決，3D打印技術(shù)在輕武器的設(shè)計(jì)制造與維修領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛的應(yīng)用。
3.2 武器裝備維修
隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，在武器裝備維修領(lǐng)域也得到了應(yīng)用并有良好的應(yīng)用前景。利用3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)時(shí)裝備維修備件與維修工具設(shè)備的快速制造，使得戰(zhàn)時(shí)維修保障效率得到大幅提高。在過去幾年中，美軍一直在使用3D打印技術(shù)，在阿富汗的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室部署了原型設(shè)計(jì)和打印設(shè)備，并且開發(fā)出了一種系統(tǒng)，用來修復(fù)在作戰(zhàn)中受損的飛機(jī)和地面車輛。美國Optomec公司利用3D打印技術(shù)為美國空軍修復(fù)高價(jià)值的航空金屬部件。安妮斯頓陸軍基地利用3D打印技術(shù)對Ml艾布拉姆斯坦克的燃?xì)鉁u輪進(jìn)行了修復(fù)，效果明顯達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。美國海軍水下作戰(zhàn)中心已經(jīng)利用3D打印技術(shù)進(jìn)行老舊零件與工裝的維修。
3.3偽裝防護(hù)設(shè)備制作
現(xiàn)在進(jìn)行大規(guī)模戰(zhàn)爭的概率很小，一般都是局部戰(zhàn)爭，參戰(zhàn)人數(shù)不多，在戰(zhàn)場上需要隨時(shí)進(jìn)行隱蔽，用于保護(hù)自己并能更好地打擊敵人。對于一些防護(hù)偽裝設(shè)備，要求特征與周邊背景盡可能做到一致，為了便于攜帶與布設(shè)，重量盡可能得輕。利用3D打印技術(shù)可 以根據(jù)具體的作戰(zhàn)環(huán)境及實(shí)際戰(zhàn)況需求能夠快速準(zhǔn)確地制作偽裝防護(hù)設(shè)備，使偽裝后的目標(biāo)更好地隱蔽起來，使作戰(zhàn)人員發(fā)揮最大的作戰(zhàn)效能。
3.4后勤保障
未來的戰(zhàn)爭將會(huì)是信息化戰(zhàn)爭，3D打印技術(shù)的應(yīng)用會(huì)使得戰(zhàn)場保障方式發(fā)生重大變化。現(xiàn)在的后勤保障主要依托后方的供給，將來會(huì)變?yōu)橐躁嚨噩F(xiàn)場的“DIY”(Do It Yourself)為主，所謂的“DIY”就是在戰(zhàn)場上士兵可以根據(jù)自己的實(shí)際需要制作物資、食品和 藥品等。
3.5 醫(yī)療部件及救助用具制作
現(xiàn)在的社會(huì)講究人權(quán)，以人為本，世界各國的軍隊(duì)都在利用一切辦法去追求戰(zhàn)場零傷亡，及時(shí)有效地進(jìn)行醫(yī)療救護(hù)是有效途徑之一。但是戰(zhàn)場環(huán)境變幻莫 測，影響因素眾多，當(dāng)有士兵受傷時(shí)，進(jìn)行戰(zhàn)場應(yīng)急救 援會(huì)受到很大的影響。為了最大限度地對士兵進(jìn)行及時(shí)的救援，在戰(zhàn)場上可以利用3D打印技術(shù)根據(jù)受傷士兵的具體情況制作相應(yīng)的器官或用具。例如，可以為骨折的士兵制作夾板、支架，為關(guān)節(jié)受傷的士兵打印關(guān)節(jié)，為眼睛受傷的士兵制作眼罩或特殊的眼鏡，為截肢的士兵制作假肢，為腳受傷的士兵制作專用鞋等[7]。
4 3D打印技術(shù)未來發(fā)展趨勢
根據(jù)未來武器裝備的研發(fā)生產(chǎn)需求以及現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要，未來3D打印技術(shù)的發(fā)展將主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)提高材料多樣性，滿足武器裝備零部件多樣性需求。隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展以及打印材料需求的不斷增加，國內(nèi)外的制粉工藝也得到了快速的發(fā)展。
(2) 3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，提高3D打印技術(shù)的速度、效率和精度。
(3) 3D打印系統(tǒng)向小型化方向發(fā)展，適應(yīng)野外戰(zhàn)場快速精確保障要求。據(jù)報(bào)道，美軍為戰(zhàn)場官兵研發(fā)了一款小型3D打印機(jī)，可以放在官兵的背包中并在戰(zhàn)場上使用。
(4)提高3D打印軟件集成化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，提高武器裝備研發(fā)以及損傷零部件維修的響應(yīng)速度。
(5)充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)平臺，發(fā)展遠(yuǎn)程3D打印技術(shù)。
5結(jié)語
3D打印技術(shù)不是對傳統(tǒng)制造技術(shù)的顛覆，而是對傳統(tǒng)制造技術(shù)的提升與完善。利用3D打印技術(shù)一方面拓寬了設(shè)計(jì)研發(fā)人員的設(shè)計(jì)思路，另一方面將傳統(tǒng)制造技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)或不能實(shí)現(xiàn)的超復(fù)雜零件的加工能輕而易舉的實(shí)現(xiàn)。3D打印技術(shù)應(yīng)用在武器裝備設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，可以縮短新型武器的設(shè)計(jì)研發(fā)周期，大幅節(jié)省國防開支，并將從本質(zhì)上提升武器裝備的性能與生產(chǎn)效率。
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