【解析】3D打印技术在军事领域的应用及发展趋势

国际金属加工网 2017年11月03日

3D打印技术作为一种新型的制造技术,与传统的机械加工有着完全不同的加工理念,不用模具和机械加工可直接根据所设计的三维模型就能加工出任何形状的零件,大大缩短了加工周期、降低了工艺的复杂程度,使生产效率得到了有效提高。由于实际的需要以及各国政府的大力支持,3D打印技术得到了飞速的发展,大到房屋小到金银首饰都可以通过3D打印技术来实现。如今,3D打印技术已经在军事领域和民用领域得到了广泛的应用,具体应用在航空航天、武器装备、工模具设计、医疗、建筑等多个不同的行业之中。

1、3D打印技术的原理及分类

3D打印技术是一种增材制造技术,它与传统打印机的工作原理相似,不同的是所用的打印材料不同;3D打印机的结构更为复杂,智能化程度更高,根据不同的产品、不同的材料快速打印出最终的产品或零部件。3D打印技术的原理为:①设计师根据具体需求利用三维软件设计出零部件的三维模型;

②将所设计的三维模型进行分层处理,根据所分层及结构信息进行编程;

③将所设计的三维模型转化为STL格式输入到3D打印机中,根据零件的具体要求选择金属粉末、工艺类型等;

④准备就绪后在平面内黏结成截面形状,然后在垂直于平面的方向进行层层叠加,最终形成三维实体。

3D打印技术的工艺与传统切削技术工艺相反,二者的比较见表1。3D打印技术主要有熔融沉积成型(FDM-FusedDepositionModeling)、选择性激光烧结(SLS-Se1ectedLaserSintering)、选择性激光熔融(SLM-SelectiveLaserMelting)、立体光刻(SLA-StereolithographyAppearance)、电子束熔化(EBM-ElectronBeamMelting)、分层实体制造(LOM-LaminatedObjectManufacturing)等几种类型。

特性项目3D打印技术传统切削技术生产方式增材制造减材制造生产步骤直接打印成形按工序加工生产周期短长生产精度需要控制和检验高生产流程简单复杂模具需求不需要需要成本低高复杂的一体成型零件容易实现难以实现个性化制造可以实现很难实现。

工艺材料用途代表性公司熔融沉积成型丁二烯-苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚苯成型制造Stratasys(美国)北京殷华公司(中国)选择性激光烧结聚碳酸酯、聚苯乙烯、低碳钢、铝、铜成型制造、直接零部件制造EOS(德国)3Dsystems(美国)选择性激光熔融钛合金、镍基高温合金、不锈钢成型制造、直接零部件制造Renishaw(英国)武汉滨湖机电(中国)立体光刻丙烯酸感光树脂、乙烯醚感光树脂、环氧感光树脂成型制造3Dsystems(美国)Envisiontec(德国)电子束熔化不锈钢、钛、铝、铜、工具钢成型制造、直接零部件制造ArcamAB(瑞典)分层实体制造ABS、PVC、聚碳酸酯、亚硝酸钛、陶瓷、聚酯成型制造、直接零部件制造Helisys(美国)Kira(日本)

2、3D打印技术的发展概况

根据WohlersAssociates发布的2013年度报告显示,拥有3D打印设备最多的国家是美国、日本、德国和中国,这4个国家拥有的3D打印设备占全球3D打印设备的比例分别为38%、9.7%、9.4%和8.7%[3]。3D打印技术在各领域的应用所占比重分别为:消费电子领域20.3%、汽车领域19.5%、医疗领域15.1%、航空航天领域10.91%、工业及商用机器领域10.8%、科研用途领域7.91%、政府/军事领域6.31%、建筑/地理信息领域4%、其他领域5.17%[4]。从发展趋势来看,3D打印技术在航空航天和医学领域的应用增速最快,并且在航空航天和医疗设备等高端领域,3D打印产业正在获利;在军事领域虽然目前所占的比重不是很大,但是在不久的将来,3D打印技术在军事领域定会得到广泛的应用。

3、3D打印技术在军事领域的应用

3.1武器装备研制

利用3D打印技术进行武器装备研发时,工程师可以根据实际要求进行创意验证和模具制作,对一些特殊、复杂的结构件可以直接打印,同时能有效地实现结构件的轻量化。

3.1.1航空航天装备

终级喷气发动机已经由美国的GE航空公司利用3D打印技术制造出来,该公司计划将3D打印技术应用在下一代军用发动机的研发制造上。737无人机模型PETRA的主要组件实现了3D打印技术的制造(包括副翼、燃料箱、襟翼、操纵面等),并实现了完美的试飞测试。美国太空制造公司专门设计用于国际空间站微重力制造项目的3D打印机已通过NASA最后的验证测试,并发送到了国际空间站。F-35飞机3米长的机翼钛合金零部件、F-15猎鹰喷气式战斗机铁合金外挂架冀肋备件、UH-60直升机门把手等当今先进的军用飞机的相关零部件已由3D打印技术制造出来,与传统工艺相比成本下降了很多,从而验证了3D打印技术在成本方面具有一定优势。

我国用了近十年的时间研发成功了歼-10飞机,舰载机歼-15仅用了3年的时间就研发成功,关键零部件应用了3D打印技术,极大地缩短了研发周期。现在歼-20和歼-31在研发过程中已经采用了3D打印技术。中国商飞和西北工业大学联合攻关,利用3D打印技术制造了C919大飞机的中央翼缘条。中航工业一飞院与北京航空航天大学强强联合,将全三维数字化设计技术与最新的3D打印技术相结合,已经打印出了多个满足强度、刚度和使用功能要求的飞机部件。

3.1.2海军装备

为了生产重量轻、成本低并能满足作战性能指标要求的无人机,美国海军打算利用3D打印技术进行研发设计生产。美国海军计划将航空母舰、巡洋舰以及驱逐舰等打造成可以移动的海上3D打印工厂,实现相关武器装备的按需打印,提高舰上空间的利用率[6]。

3.1.3轻武器装备

美国SolidConcepts公司利用3D打印技术制造了世界上第一只金属gun,并测试成功,该3D打印的金属gun由30多个零件组成,经测试该3D打印gun的射程比常规gun差一些但精度相当。AR-15半自动步枪的弹匣及其他部件也已经由3D打印技术制造出来,该枪能够射击600多次,综合性能良好。目前制约3D打印技术的问题是材料,如果金属粉末材料问题能够得到解决,3D打印技术在轻武器的设计制造与维修领域将会得到广泛的应用。

3.2武器装备维修

随着3D打印技术的迅速发展,在武器装备维修领域也得到了应用并有良好的应用前景。利用3D打印技术可以实现战时装备维修备件与维修工具设备的快速制造,使得战时维修保障效率得到大幅提高。在过去几年中,美军一直在使用3D打印技术,在阿富汗的移动实验室部署了原型设计和打印设备,并且开发出了一种系统,用来修复在作战中受损的飞机和地面车辆。美国Optomec公司利用3D打印技术为美国空军修复高价值的航空金属部件。安妮斯顿陆军基地利用3D打印技术对M1艾布拉姆斯坦克的燃气涡轮进行了修复,效果明显达到了预期目标。美国海军水下作战中心已经利用3D打印技术进行老旧零件与工装的维修。

3.3伪装防护设备制作

现在进行大规模战争的概率很小,一般都是局部战争,参战人数不多,在战场上需要随时进行隐蔽,用于保护自己并能更好地打击敌人。对于一些防护伪装设备,要求特征与周边背景尽可能做到一致,为了便于携带与布设,重量尽可能得轻。利用3D打印技术可以根据具体的作战环境及实际战况需求能够快速准确地制作伪装防护设备,使伪装后的目标更好地隐蔽起来,使作战人员发挥最大的作战效能。

3.4后勤保障

未来的战争将会是信息化战争,3D打印技术的应用会使得战场保障方式发生重大变化。现在的后勤保障主要依托后方的供给,将来会变为以阵地现场的“DIY”(DoItYourself)为主,所谓的“DIY”就是在战场上士兵可以根据自己的实际需要制作物资、食品和药品等。

3.5医疗部件及救助用具制作

现在的社会讲究人权,以人为本,世界各国的军队都在利用一切办法去追求战场零伤亡,及时有效地进行医疗救护是有效途径之一。但是战场环境变幻莫测,影响因素众多,当有士兵受伤时,进行战场应急救援会受到很大的影响。为了最大限度地对士兵进行及时的救援,在战场上可以利用3D打印技术根据受伤士兵的具体情况制作相应的器官或用具。例如,可以为骨折的士兵制作夹板、支架,为关节受伤的士兵打印关节,为眼睛受伤的士兵制作眼罩或特殊的眼镜,为截肢的士兵制作假肢,为脚受伤的士兵制作专用鞋等[7]。

4、3D打印技术未来发展趋势

根据未来武器装备的研发生产需求以及现代化战争的需要,未来3D打印技术的发展将主要体现在以下几个方面:

(1)提高材料多样性,满足武器装备零部件多样性需求。随着3D打印技术的飞速发展以及打印材料需求的不断增加,国内外的制粉工艺也得到了快速的发展。

(2)3D打印技术与传统制造技术相结合,提高3D打印技术的速度、效率和精度。

(3)3D打印系统向小型化方向发展,适应野外战场快速精确保障要求。据报道,美军为战场官兵研发了一款小型3D打印机,可以放在官兵的背包中并在战场上使用。

(4)提高3D打印软件集成化,实现CAD/CAPP/RP的一体化,提高武器装备研发以及损伤零部件维修的响应速度。

(5)充分利用现有的网络平台,发展远程3D打印技术。

5、结语

3D打印技术不是对传统制造技术的颠覆,而是对传统制造技术的提升与完善。利用3D打印技术一方面拓宽了设计研发人员的设计思路,另一方面将传统制造技术很难实现或不能实现的超复杂零件的加工能轻而易举的实现。3D打印技术应用在武器装备设计

生产中,可以缩短新型武器的设计研发周期,大幅节省国防开支,并将从本质上提升武器装备的性能与生产效率。


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