3D打印技术在武器装备维修中的应用研究

王帅 宋敬峰

【摘 要】21世纪初期，3D打印技术在金属零部件制造的应用取得了重大突破，并开始应用于飞机、火箭等装备部分零部件的制造，这为该技术在武器装备维修中的应用提供了契机。为了探讨3D打印技术在武器装备维修中的应用，分析了3D打印技术在装备维修中应用的优势。探讨了3D打印技术在装备维修中的应用，研究表明，3D打印技术在武器装备维修方面具有广阔的应用前景。

【关键词】3D打印；武器装备；维修应用

3D打印技术的专业术语为“快速成型技术”，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。理论上只要有3D模型电子设计图纸及打印材料，就可以根据需要，采用3D打印技术快速制造出各种部件。因此3D打印技术被广泛应用于小批量和复杂零部件的制造，在武器装备研制、制造和维修以及战场抢修等方面具有广阔的应用前景。

1.武器装备维修现状分析

武器装备在使用过程中，不可避免会出现由于零部件损坏或失效造成的故障。目前对于零部件故障的维修，大多采用备份零部件对损坏零部件进行替换的方式进行装备维修。这种装备维修模式，虽然可以在武器装备发生零部件故障时快速维修，保持和恢复武器装备的性能，但是仍然存在如下问题。

1.1保障过量

武器装备通常为高科技装备，且武器系统组成复杂，使用的零部件也成千上万。武器装备的高科技特性意味着随着科学技术的进步和发展，其更新换代也较快。一旦武器装备退出现役，该装备的零备件也随之报废。如果所有的零部件都存在大量实物备份，可能会出现在武器装备服役到退役的有限时间里，大量备份零部件因从未得到使用而大量浪费。

1.2保障不足

武器装备使用零部件种类繁多，各种零部件的使用时间以及出现故障的概率各不相同，尤其是在战场上，各种零部件损坏的情况更加难以预测。如果所有的零部件都按相同的数量进行备份，则可能出现部分零部件存在较大富余、部分零部件却不够用的情况。

1.3保障效率不高

武器装備使用的零部件数量巨大、种类繁多，不可能将所有的零部件都携带至武器装备使用场地，且采用人工在大量的零部件中找到所需的备份零部件，时间难以得到保证。如果武器装备的某些零部件出现故障，而现场找不到备用零部件进行替换，或者不能及时进行损坏零部件的更换，都有可能影响武器的使用。

1.4维修工艺要求较高

现代武器装备使用的零部件，绝大部分对维修工艺较高的要求，需要专用维修设备，有的零部件还需要专用的维修工具和专业的技术人员。

2.应用3D打印技术的优势

将3D打印技术应用于装备维修，则能够解决传统装备维修保障存在的几大问题，具体如下。

2.1解决保障过量和保障不足问题

在未来战争中，一旦武器装备出现零部件损伤，利用3D打印技术可以直接在战场上把所需要的零部件“打印”出来，从而及时、精确地完成受损装备的维修保障，快速恢复作战能力。

2.2解决装备维修效率不高的问题

在装备维修中应用3D打印技术，可以将携带实物零部件转换为携带3D打印机和打印材料，从根本上解决了难以携带全部备份零部件的问题；还可以将所携带零部件实物转换为计算机数据库中3D模型数据，使装备维修的针对性将更加明确，装备维修的速度将得到较大的提高。

2.3解决复杂零部件生产周期长的问题

从3D设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时，整个过程数字化，可随时修正、随时制造。3D打印的过程与零部件的复杂程度无关，是真正的自由制造。对于一些结构复杂零部件的制造，采用3D打印技术后生产周期明显缩短。

2.4弥补装备维修设备建设滞后的现状，提升保障能力

武器装备技术含量高，维修工艺要求更高，较多零部件的维修需要专用的维修设备和维修工具。但是有些修理厂或维修厂因为相应的修理设备、工具跟不上发展需求，所以在具体组织、实施装备保障上有一定难度，这在一定程度上影响和制约着武器装备维修保障能力的提高。采用3D打印技术，通过预先准备零部件的3D模型数据，维修人员不仅可以直接制造出所需的零部件，还可以借助网络和生产厂家联系，获得维修工具的相关数据资料，并现场打印维修所急需的维修工具；必要时，还可由后方设计人员根据前线维修需求临时设计新的维修工具，改善装备维修设备建设滞后的现状，提升保障能力。

3.3D打印技术在武器装备维修中的应用

3.1在组合件一体化成型中的应用

零部件的组装是航空、航天制造产业需要重点考虑的问题。一般而言，产品的组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越高。3D打印技术能实现零部件一体化成型，省去了零部件组装的麻烦。如民用航空发动机LeapX的一些关键组合件（包括燃油喷嘴）就是通过3D打印技术制造的。若采用传统生产工艺，制造1个燃油喷嘴，需要生产20多个零部件并进行组合，而采用3D打印技术可以一体化成型制造，且制造出的产品和传统工艺生产的同类产品相比，质量减轻了25%，使用寿命也延长了将近5倍。由此可见，采用3D打印技术进行部分组合件的一体化成型制造，可以降低制造成本及维护成本。武器装备中存在大量的组合零部件，这些零部件也可以考虑采用3D打印技术进行一体成型制造。

3.2在结构件维修中的应用

3D打印技术的一个显著优点，就是可以根据零部件的3D数字模型，对老旧或损伤零部件进行维修与工装。目前，国内外已经有采用3D打印技术对复杂结构件进行维修的实例。3D打印技术也完全可以应用于武器系统受损部件维修。基于3D打印技术，一些特制的3D打印机则可根据相应3D建模技术中所存储的完好零件的形状与尺寸，对武器装备损伤部分进行喷印修复。对于磨损程度未达到更换标准的备用件，诸如磨损的轴承、发射车轮胎部件，也可以通过3D打印技术进行小范围的修补，大大降低更换零部件的成本。

3.3新型保障模式探讨

武器装备的常用备份零部件种类繁多，以某型武器装备为例，该型武器的备附件及配套工具主要有以下十大类：①各种装备、车体；②各种面板、架体、支杆；③防尘盖、药盒盖、接头堵盖、裙保护盖等金属盖；④各种阀门；⑤传动箱和轴套；⑥驱动轴；⑦各种软硬导管（气、液管路）；⑧各种连接线；⑨各种轮胎、车轮；⑩各种密封件、螺钉、垫片等。

这十大类的零部件中，有一些结构简单、体积较小，且目前对应的传统工艺有较强制造能力，如架体、支杆、连接线、螺钉和垫片等，这类零部件采用实物备份比较合适。而另一些结构复杂、尺寸较大且需要专门车间才能制造的零部件，如车体、防尘盖等各种金属盖、传动箱和轴套以及驱动轴等，可能采用3D打印技术进行制造的成本更低、制造时间更短、需要的配套设施更少。因此，武器装备的维修模式可以考虑采用实物备份和3D打印设备备份相结合的模式。

4.结束语

目前，3D打印技术正处于飞速发展阶段。3D打印材料的种类正在逐步增加，特别是复杂金属材料的3D打印取得了较大突破，其产品的性能也在稳步提升。由公开的报告可以看出，3D打印产品的各种性能已经接近于目前锻造的同类零部件。3D打印的速度也在逐步加快，特别是一些复杂金属零备件，其制备速度快于传统制造的速度。可以预见，在不久的将来，将3D打印技术应用于装备维修是完全可能实现的。

【参考文献】

[1]卢秉恒.西安交通大学先进制造技术研究进展[J].中国工程科学，2013（1）：4-8.

[2]江洪，康学萍.3D打印技术的发展分析[J].新材料产业，2013（10）：30-35.