3D打印技術(shù)在武器裝備研制方面的應(yīng)用

3D打印技術(shù)是增材制造技術(shù)的俗稱，是快速成形技術(shù)的一種，它是通過三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加，以及激光燒結(jié)、光照等固化手段制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。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(diǎn)，應(yīng)用于武器裝備發(fā)展時(shí)能夠顯著縮短武器裝備研制時(shí)間，減少研制費(fèi)用，提高武器裝備性能，降低武器裝備成本，提高維修保障時(shí)效性與精度。在世界各國(guó)的廣泛關(guān)注與大力推進(jìn)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(duì)武器裝備的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)展，進(jìn)入發(fā)展與應(yīng)用的快車道。

（一）3D打印技術(shù)日益受到重視，成為各國(guó)全力搶奪的戰(zhàn)略重點(diǎn)

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(gè)國(guó)家的發(fā)展重點(diǎn)。

美國(guó)將3D打印技術(shù)列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，集全國(guó)之力進(jìn)行發(fā)展，搶占發(fā)展先機(jī)。2012年，美國(guó)在重整制造業(yè)計(jì)劃中將3D打印技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的11項(xiàng)技術(shù)之一，并作為其“全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”首家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(guó)“制造創(chuàng)新國(guó)家網(wǎng)絡(luò)”計(jì)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(duì)美國(guó)制造業(yè)發(fā)展具有重要作用的創(chuàng)新技術(shù)。

我國(guó)也高度重視3D打印技術(shù)，采取多種措施推動(dòng)其快速發(fā)展。總裝備部、國(guó)防科工局、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等部門對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形進(jìn)行了持續(xù)多年的重點(diǎn)資助，取得了顯著成績(jī)。科技部正在制定3D打印技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，必將進(jìn)一步推動(dòng)其快速發(fā)展。

（二）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(jìn)，取得系列重要進(jìn)展，技術(shù)成熟度及性能不斷提升。

美國(guó)3D打印技術(shù)研究取得重要進(jìn)展，技術(shù)成熟度及性能顯著提升，初步達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平。2012年，美國(guó)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(guó)國(guó)防部和洛克希德?馬丁公司準(zhǔn)備將其用于生產(chǎn)F-35戰(zhàn)斗機(jī)的鈦、鉭、鉻鎳鐵合金等高價(jià)值材料的高品質(zhì)零部件，前期檢測(cè)全部達(dá)到要求。3D Systems公司的激光熔融技術(shù)取得重要進(jìn)展，美國(guó)空軍將在此基礎(chǔ)上開發(fā)用于打印F-35戰(zhàn)斗機(jī)和其他武器系統(tǒng)的3D打印機(jī)。美國(guó)太空制造公司的太空3D打印技術(shù)的成熟度達(dá)到6級(jí)，具備在太空中的模型或樣機(jī)演示能力，2012年11月獲得NASA的第二階段合同，進(jìn)一步將技術(shù)成熟度提升到8級(jí)，完成實(shí)際系統(tǒng)并通過試驗(yàn)和驗(yàn)證，最終具備應(yīng)用于太空站維修、升級(jí)和延壽，載荷升級(jí)改進(jìn)，硬件太空制造等方面的能力，2014年向國(guó)際空間站運(yùn)送首臺(tái)3D打印機(jī)。

我國(guó)的激光快速成形3D打印技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。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(jī)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(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。西北工業(yè)大學(xué)掌握了一次打印超過5米長(zhǎng)的鈦金屬飛機(jī)部件的3D打印技術(shù)。

（三）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(jì)、制造、維修等領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用。

設(shè)計(jì)方面，美國(guó)NASA在設(shè)計(jì)新一代大型運(yùn)載火箭的核心部件時(shí)，利用大型Makerbot 3D打印機(jī)進(jìn)行模具成型，制造設(shè)計(jì)部件。此3D打印機(jī)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(jī)床制造，既可以縮短制造時(shí)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(guó)開始將激光成形鈦合金零件裝上戰(zhàn)機(jī)試驗(yàn)。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(guó)始終只能生產(chǎn)小尺寸鈦合金部件和對(duì)鈦合金零件表面進(jìn)行修復(fù)。近年，美國(guó)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(guó)軍方和軍工企業(yè)正與3D Systems和Sciaky等3D打印技術(shù)公司合作，推進(jìn)大尺寸鈦合金3D打印技術(shù)在戰(zhàn)斗機(jī)制造上的應(yīng)用。2013年，美國(guó)開始使用3D打印技術(shù)批量生產(chǎn)噴氣發(fā)動(dòng)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(guó)“固體概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金屬手槍，能夠連續(xù)發(fā)射50發(fā)子彈并保持完好。

維修方面，美國(guó)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(gè)移動(dòng)遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室，用于裝備維修保障。此移動(dòng)遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)20英尺長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，可通過卡車或直升機(jī)運(yùn)送至任何地點(diǎn)，利用3D打印機(jī)和計(jì)算機(jī)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(chǎng)快速生成需要的零部件，甚至快速設(shè)計(jì)和生產(chǎn)急需的裝備，實(shí)現(xiàn)及時(shí)精確保障。此外，美國(guó)陸軍開發(fā)了一種輕質(zhì)便宜的3D打印機(jī)，可以放到背包中，用于在戰(zhàn)場(chǎng)中快速、便宜地制造替換零件。

我國(guó)3D打印技術(shù)在武器裝備中的應(yīng)用已取得一定成績(jī)，是目前世界上唯一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(guó)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(gè)國(guó)產(chǎn)航空項(xiàng)目的原型機(jī)制造。我國(guó)自主研發(fā)的大型客機(jī)C919的主風(fēng)擋窗框、大中央翼根肋，以及正在設(shè)計(jì)的新型戰(zhàn)斗機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機(jī)的推重比，并縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，在新型戰(zhàn)斗機(jī)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(jìn)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(jìn)一步應(yīng)用。隨著材料技術(shù)、高精度控制技術(shù)、高效制造技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)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。

二、3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用將對(duì)武器裝備發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響

受技術(shù)、成本的限制，3D打印技術(shù)難以取代大規(guī)模流水線生產(chǎn)，但其不需要模具，可實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到零件的直接轉(zhuǎn)化，完成快速、自由的制造，將在武器裝備的設(shè)計(jì)，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(duì)武器裝備發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

（一）小批量制造成本低、速度快，可顯著降低武器裝備研制風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制時(shí)間

武器裝備越來越復(fù)雜，研制時(shí)只有通過多輪的設(shè)計(jì)-原型機(jī)生產(chǎn)-試驗(yàn)-修改設(shè)計(jì)-原型機(jī)再生產(chǎn)-再試驗(yàn)過程，通過原型機(jī)重復(fù)試驗(yàn)才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并修正。但原型機(jī)的產(chǎn)量極小，采用傳統(tǒng)制造方式的時(shí)間長(zhǎng)、成本高，造成武器裝備研制的周期長(zhǎng)，費(fèi)用高。美國(guó)F-35戰(zhàn)斗機(jī)因?yàn)檠兄七^程中的反復(fù)實(shí)驗(yàn)與制造，造成研制時(shí)間多次延長(zhǎng)，研制費(fèi)用顯著增加。3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)制造方式的鑄錠、制胚、模具、模鍛等過程，可以快速、低成本地進(jìn)行原型機(jī)生產(chǎn)，且整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化,可隨時(shí)修正、隨時(shí)制造，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量的驗(yàn)證性試驗(yàn)，從而顯著降低研制風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制時(shí)間、降低研制費(fèi)用。NASA在“好奇號(hào)”火星車和新一代大型運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)中，已采用3D打印技術(shù)進(jìn)行零件的快速制造。我國(guó)新型戰(zhàn)斗機(jī)起落架的關(guān)鍵零部件等也采用激光快速成形技術(shù)制造，極大地縮短了研制周期。

（二）復(fù)雜制造能力好，可完成傳統(tǒng)方法難以完成的制造，提高武器裝備性能

3D打印技術(shù)不需要預(yù)先制作模型，是真正的自由制造,可以成型幾乎任意形狀的零件，對(duì)具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件特別有效。如制造復(fù)雜的鈦合金結(jié)構(gòu)部件，具有復(fù)雜內(nèi)部冷卻通道的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的坦克裝甲等關(guān)鍵武器零部件。3D打印技術(shù)還能顯著提高零部件的關(guān)鍵性能。采用激光燒結(jié)技術(shù)制造的零件具有超過或者等同于鍛件的性能，特別是高溫、持久、抗疲勞等性能。如采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制造的飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度鋼，其抗疲勞強(qiáng)度可比鍛件高20%，制造的渦輪葉片的900度疲勞強(qiáng)度可以比第二代單晶高40%。此外，3D打印技術(shù)還可用于局部成份控制，生產(chǎn)局部材料屬性（如折射率、導(dǎo)電性、磁性、硬度等）可控的功能梯度材料，使材料呈現(xiàn)出一些特殊的性能。DARPA正在資助用3D打印機(jī)打印梯度折射率透鏡（石英）的研究，可用于研制光學(xué)隱身斗篷。

（三）材料利用率高，可有效降低先進(jìn)武器生產(chǎn)成本

傳統(tǒng)的制造是“減材制造”，通過在原材料坯件上進(jìn)行切削、擠壓等操作，把多余的原料去除，加工出所需部件形狀，加工過程中去除的原材料難以回收利用，原材料浪費(fèi)嚴(yán)重。如美國(guó)F-22戰(zhàn)斗機(jī)中尺寸最大鈦合金整體加強(qiáng)框零件的重量不足144千克，而毛坯模鍛件重達(dá)2796千克，鈦合金材料的利用率不到5.2%。昂貴材料的大量浪費(fèi)，直接推高武器裝備的成本，使得武器裝備越來越難以承受。美國(guó)F-22戰(zhàn)斗機(jī)的成本超過2億美元，即使美國(guó)這樣的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)也難以大量承擔(dān)。3D打印只在需要的地方添加原材料，材料利用率極高，能夠充分利用昂貴的原材料，顯著降低武器裝備的成本。如采用激光成形技術(shù)，C919飛機(jī)中央翼根肋的精坯重量?jī)H為136千克，相比傳統(tǒng)制造方法1607千克的鍛件毛坯，可以節(jié)省91.5%的昂貴的鈦合金材料。

（四）具備快速制造不同零部件的能力，可有效提升武器裝備維修保障的實(shí)時(shí)性、精確性

當(dāng)前，裝備維修保障主要采取冗余備份的方式，即預(yù)先準(zhǔn)備大量零部件，在裝備受損時(shí)進(jìn)行替換。由于裝備受損情況難以預(yù)測(cè)，這種方式容易產(chǎn)生保障不足和保障過量?jī)煞N情況。保障不足時(shí)將因?yàn)轭A(yù)先準(zhǔn)備的配件少而影響武器裝備的及時(shí)修復(fù)，保障過量時(shí)將因?yàn)轭A(yù)先準(zhǔn)備的配件過多而增大保障壓力。3D打印技術(shù)具備快速制造不同零部件的能力，只要有電子設(shè)計(jì)圖紙及打印材料，可根據(jù)需要快速打印出各種部件。應(yīng)用于維修保障時(shí)，可在戰(zhàn)場(chǎng)快速打印出受損部件，及時(shí)精確地完成受損裝備的維修保障，快速恢復(fù)作戰(zhàn)能力。認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)在提高裝備維修保障中潛在的巨大作用，美國(guó)積極探索3D打印技術(shù)在裝備維修保障中的應(yīng)用，于2012年和2013年部署了兩個(gè)基于3D打印技術(shù)的移動(dòng)遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證基于3D打印技術(shù)的裝備維修保障。

三、結(jié)束語

加快3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是彌補(bǔ)我國(guó)當(dāng)前武器裝備設(shè)計(jì)、制造與維修保障能力的不足，提升研發(fā)效率，降低制造成本，提高維修保障時(shí)效性與精度的有效途徑。我國(guó)3D打印技術(shù)在鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形等方向居于世界領(lǐng)先地位，但整體水平仍有很大的提升空間。應(yīng)著眼武器裝備長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，統(tǒng)籌規(guī)劃，匯聚各方面力量推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)“能打仗、打勝仗”的目標(biāo)提供技術(shù)支撐。一是將3D打印技術(shù)作為我國(guó)制造業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵，軍民融合、整合資源，集全國(guó)之力進(jìn)行發(fā)展；二是針對(duì)當(dāng)前存在的問題，加強(qiáng)材料技術(shù)3D打印核心關(guān)鍵技術(shù)研究，改變我國(guó)核心關(guān)鍵設(shè)備受制于人的狀況；三是積極探索3D打印技術(shù)在武器裝備建設(shè)中的應(yīng)用，以應(yīng)用牽引技術(shù)發(fā)展方向與重點(diǎn)。
審核編輯：彭菁