彭 為

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

3D打印技術(shù)在中國軍工企業(yè)中的應(yīng)用*

彭 為

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中首先介紹了3D打印技術(shù)的定義及其在歐美與中國的應(yīng)用，詳細介紹了睿創(chuàng)空間3D打印機的組裝、調(diào)試和建模，具體闡述了3D打印技術(shù)在中國軍工企業(yè)的研制和保障上的應(yīng)用，并對3D打印技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進行了展望。

3D打印技術(shù)；睿創(chuàng)空間；在場快速維修

引 言

人類進化至今，一個嶄新文明的標(biāo)志就是能夠用機器制造機器[1]。從狹義上說，當(dāng)前被賦予無限想象力的3D打印機就是這種能夠制造機器的機器。3D打印使客觀世界中的3D實體能夠在虛擬世界中得以高精度重建(3D掃描)、自由編輯(3D設(shè)計)、真實感高清展示(3D顯示)，乃至重新返回客觀世界(3D打印)。3D打印是對傳統(tǒng)的顛覆，實現(xiàn)了虛擬世界與實體世界的鏈接。其作用橫跨多個領(lǐng)域，很可能會成為繼互聯(lián)網(wǎng)之后顛覆人類社會的“下一個事物”。因此， 3D打印得到了前所未有的關(guān)注[1]。

目前美國大部分3D打印都集中應(yīng)用在軍工領(lǐng)域的開發(fā)和模具制造上。美國已就通過3D打印技術(shù)來減輕士兵的負擔(dān)展開研究。據(jù)報道，美國已將3D打印機部署到戰(zhàn)區(qū)，并已加入擴展3D打印的行動，向阿富汗部署移動實驗室，為士兵現(xiàn)場創(chuàng)造工具和其他設(shè)備。2013年1月，美軍快速裝備部隊將其第2個移動遠征實驗室部署到戰(zhàn)區(qū)，實驗室通過使用3D打印機和計算機數(shù)字控制設(shè)備將鋁、塑料和鋼材生產(chǎn)加工成所需零部件，幫助設(shè)計人員利用計算機輔助設(shè)計軟件在戰(zhàn)區(qū)快速生產(chǎn)原型產(chǎn)品，從而增強美軍單兵作戰(zhàn)、戰(zhàn)區(qū)巡邏及小型前線作戰(zhàn)基地的可持續(xù)作戰(zhàn)能力。

我國擬將3D打印上升至國家戰(zhàn)略。2013年中國電子科技集團公司(后文簡稱中國電科)成立創(chuàng)新研究院，同年3月“睿創(chuàng)空間”開放式工作室成立，其成立后最具標(biāo)志性的成果就是3D打印技術(shù)的應(yīng)用，也由此揭開了中國電科3D打印的軍工應(yīng)用新篇章。3D打印技術(shù)的日益進步使戰(zhàn)時裝備技術(shù)維修保障發(fā)生了革命性的變化，利用3D打印技術(shù)能夠及時打印出毀損的部件，用以修復(fù)受損裝備，從而使遭到毀傷的武器裝備得以再生，快速提升裝備保障能力。這也是中國電科睿創(chuàng)空間后續(xù)發(fā)展的方向之一。

1 3D打印技術(shù)

3D打印的專業(yè)名稱應(yīng)該是“快速成型技術(shù)”或“增材制造技術(shù)”，是依托信息技術(shù)、材料科學(xué)和精密機械等多種學(xué)科的一種尖端技術(shù)。增材制造是指不經(jīng)過車、銑、鉆等傳統(tǒng)“減材”切削加工，而是通過堆疊材料來直接形成最終產(chǎn)品的一種制造理念。它將多維制造變成簡單的由下至上的二維疊加，從而大大降低了設(shè)計與制造的復(fù)雜度，可以制造傳統(tǒng)方式無法加工的奇異結(jié)構(gòu)，尤其適合動力裝備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上關(guān)鍵零部件的制造。

3D打印行業(yè)的發(fā)展始終凸顯著“創(chuàng)新突破”這一關(guān)鍵特質(zhì)，技術(shù)發(fā)展日新月異，現(xiàn)在只是3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化初級階段，未來3至5年將是3D打印技術(shù)最為關(guān)鍵的發(fā)展機遇期，其成長遵循的技術(shù)成熟曲線如圖1所示。

圖1 技術(shù)成熟曲線

2 睿創(chuàng)空間3D打印技術(shù)研究

2.1 3D打印機的組裝

睿創(chuàng)空間遇到的第一個難題就是3D打印機的組裝，圖2為3D打印機的組裝全過程。機架組裝的難點在于要確保支撐桿是一個正方形，不能是平行四邊形，因此在裝配和調(diào)試的過程中，需要對塑料結(jié)構(gòu)件的位置進行微調(diào)，并確保塑料結(jié)構(gòu)件的內(nèi)孔被修正到剛好能在螺桿上自由平移的程度；擠出機的安裝難點則在于安裝時，需要注意大齒輪與電機之間的墊片數(shù)量，防止二者的間隙過小而影響齒輪轉(zhuǎn)動，同時又不能太大，需確保銅桿凹槽能夠順利擠絲。圖3為3D打印機的軟件安裝圖。在軟硬件安裝到位之后，點擊“Connect”進行鏈接。

圖2 3D打印機組裝過程

圖3 3D打印機軟件安裝圖

2.2 3D打印機的軟、硬件調(diào)試

組裝完成后下一步就是調(diào)試，圖4為3D打印機的調(diào)試全過程。調(diào)試過程的難點之一是雙電機的驅(qū)動問題，Z軸電機按并聯(lián)方式連接時，雖有很好的高速性能，但其所需的電流是按串聯(lián)方式連接時的1.4倍，由于控制卡的驅(qū)動模塊的驅(qū)動能力有限，因此容易出現(xiàn)驅(qū)動模塊過流現(xiàn)象，導(dǎo)致死機。因此3D打印機在組裝時Z軸電機應(yīng)采用串聯(lián)方式連接，如圖5所示。

圖4 3D打印機的調(diào)試過程

圖5 步進電機串聯(lián)連接

在調(diào)試3D打印機作單軸運動的過程中，X軸方向上的皮帶輪軸承處的螺母易脫落，用彈墊防松效果不好，需采用防松螺母；Y軸方向上的電機運動會出現(xiàn)卡死問題，經(jīng)查是由于結(jié)構(gòu)位置沒有準(zhǔn)確校正，皮帶與運動平面存在一定的角度θ，當(dāng)熱床向右移動時，∠θ不斷變大，皮帶拉力F在X軸向上的分量F1增大，F(xiàn)在Y軸向上的分量F2減小，當(dāng)F2減小到無法克服阻力時，Y軸方向上的電機運動就被卡死。因此需盡可能地減小θ角，使皮帶與Y軸平行運動。單軸運動調(diào)試如圖6所示。

圖6 單軸運動調(diào)試

在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，加熱床的實際溫度和軟件顯示溫度之間存在差異，主要原因是由于加熱電路板和鋁床之間的粘合物使用錯誤，應(yīng)將硅膠換為導(dǎo)熱硅脂。在打印過程中發(fā)現(xiàn)打印不準(zhǔn)確，經(jīng)分析其原因為：運動控制精度低，缺乏有效可靠的插補控制能力；運動軸往返運動存在間隙，具體如圖7所示。

圖7 精度修正

圖7中，

2dy=2×R-L2

2dx=2×R-L1

式中：dy為運動軸在Y向上的運動誤差；R為半徑；L2為運動軸在X向上的運動距離；dx為運動軸在X向上的運動誤差；L1為運動軸在Y向上的運動距離。

2.3 3D打印機的建模

3D打印機的散件組裝調(diào)試完畢之后，睿創(chuàng)空間利用開源硬軟件技術(shù)，實現(xiàn)打印機成功運行。通過對3D打印軟件參數(shù)的研究，經(jīng)過不斷修改調(diào)整，打印出的小黃鴨、金字塔、玫瑰花等模型已日臻精致完美。通過Pro/E、Autodesk等數(shù)字建模工具，可自主地進行正向、逆向模型設(shè)計，最終成功實現(xiàn)了雷達產(chǎn)品的3D模型打印制作。圖8和圖9是睿創(chuàng)空間利用建模軟件制作的飛機模型以及為參賽機器人制作的頭盔建模圖片。

圖8 飛機模型

圖9 機器人頭盔

3 3D打印技術(shù)在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

睿創(chuàng)空間的成立為中國電科開啟了3D打印技術(shù)軍民融合的探索之路。一直以來，中國電科不斷探索3D打印技術(shù)的軍民融合之路，以期突破現(xiàn)有傳統(tǒng)模具的生產(chǎn)制造工藝、工序的高成本、長周期的瓶頸，將結(jié)構(gòu)設(shè)計由傳統(tǒng)串行設(shè)計模式轉(zhuǎn)變?yōu)橥絽f(xié)同模式，使其在軍品的工業(yè)造型設(shè)計、風(fēng)洞試驗、結(jié)構(gòu)設(shè)計、可裝配性、干涉檢查等方面成為全三維結(jié)構(gòu)數(shù)字樣機重要的輔助設(shè)計手段，從而可以在極大程度上縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

將3D打印和軍工生產(chǎn)緊密結(jié)合，搭建開放性平臺，可推動其與科研生產(chǎn)過程的有機結(jié)合，以手段創(chuàng)新提高工作效率，還可激發(fā)員工的創(chuàng)新思維，提升員工的崗位技能及自我解決難題的能力，從而提升人力資源的有效利用率。在3D打印機項目成功運作的基礎(chǔ)上，3D打印技術(shù)被陸續(xù)運用到精益保障、移動互聯(lián)網(wǎng)云平臺等項目中，并已取得階段性成果，在綜合保障之在場快速維修中發(fā)揮了重要作用。

下面以某裝備為例，具體闡述3D打印技術(shù)在裝備綜合保障領(lǐng)域的應(yīng)用。裝備的在場快速維修是指在合理的戰(zhàn)術(shù)時間段內(nèi)，對受到損傷的裝備系統(tǒng)進行修復(fù)，從而使其恢復(fù)戰(zhàn)斗能力所進行的修理。戰(zhàn)場情形瞬息萬變，快速有效的在場搶修至關(guān)重要，能夠?qū)崿F(xiàn)戰(zhàn)斗能力的成倍增長。圖10是通過對某部門一定數(shù)量裝備的戰(zhàn)損情況進行分析后得出的裝備戰(zhàn)傷搶修效果圖。戰(zhàn)傷率基本保持在8%。圖10中的3個曲線帶狀部分代表3種不同的戰(zhàn)斗損傷修理能力：最低的曲線帶表示最“不理想”的情況，即所有戰(zhàn)傷裝備無法投入戰(zhàn)斗所形成的變化曲線；中間曲線帶為假設(shè)50%的戰(zhàn)傷裝備能在24 h內(nèi)修復(fù)，它代表具備中等搶修能力的情況；最上邊的曲線帶代表具備良好的戰(zhàn)傷搶修能力的情況，即50%的戰(zhàn)傷裝備可在24 h內(nèi)被修復(fù)，30%的戰(zhàn)傷裝備可在48 h內(nèi)被修復(fù)，其余20%的戰(zhàn)傷裝備則無法進行在場修復(fù)。每一條曲線帶的下限表示2%的戰(zhàn)損率，上限表示提高生存性后，戰(zhàn)損率為1%的情況。

圖10 裝備戰(zhàn)傷搶修效果

從圖10可看出，在基線戰(zhàn)損率為2%的情況下，一周以后，有良好戰(zhàn)傷搶修的裝備的可用率是“不修理”的裝備的4倍左右。如果裝備戰(zhàn)損率由2%降為1%，可用率僅為沒有降低前的2倍左右。另外，裝備設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展增加了裝備的復(fù)雜程度，也增加了在場戰(zhàn)傷搶修的難度，傳統(tǒng)的方式方法已無法滿足要求，需要有新的搶修技術(shù)和方法。3D打印技術(shù)的獨特優(yōu)勢完美地滿足了在場快速維修的全部需求，它能夠?qū)ρb備的部件，無論復(fù)雜與否，進行快速現(xiàn)場“生產(chǎn)”，快速補充所缺部件，使裝備得到良好的搶修。且3D打印的生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)技術(shù)的3倍，打印出的產(chǎn)品更加精細輕盈(重量輕60%)，且同樣堅固?？梢灶A(yù)見，未來3D打印技術(shù)將會顛覆傳統(tǒng)的裝備技術(shù)保障維修手段[2]。

4 3D打印技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)顛覆了眾多行業(yè)中的設(shè)計、原型設(shè)計和制造流程，給材料科學(xué)、生物科學(xué)帶來翻天覆地的變化，它正由以往的概念性技術(shù)演變成一場全新的技術(shù)革新。雖然3D打印技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的出現(xiàn)并不短暫，但并未形成一個互為關(guān)聯(lián)、互為加強的龐大有機整體。如果假以時日，3D打印技術(shù)終將會對全球經(jīng)濟模式產(chǎn)生明顯的解構(gòu)與建構(gòu)作用，從而顛覆傳統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟運行模式，使科學(xué)技術(shù)和創(chuàng)新呈現(xiàn)爆發(fā)式的變革，主要體現(xiàn)在以下4個方面：

(1)定制個性化的復(fù)合新型材料

3D打印機可以通過新的方式將原材料加以混合，甚至可以根據(jù)需求對材料進行個性化的復(fù)合定制。在一個較小的范圍內(nèi)部，它以納米級的精度嵌套多種材料，并將之編排到復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)中，使新材料、納米尺度以及印刷電子器件融于一體，同步制造與組裝出多元結(jié)構(gòu)的部件，展示出堪稱神奇的新特性[3]。

(2)實現(xiàn)智能制造

智能制造的邏輯控制的實現(xiàn)有3種控制能力：控制物質(zhì)的形狀、構(gòu)成和行為，即實現(xiàn)物體在結(jié)構(gòu)、材料與活性上的三者有機統(tǒng)一。這3種控制能力的階段性實現(xiàn)都會引起制造業(yè)的巨大變革。其中控制行為意為將程序?qū)戇M材料，使之具備所需的功能，也即不再打印被動的零部件和材料，而是打印能夠感知、能夠反應(yīng)、能夠計算和能夠行為的綜合的主動系統(tǒng)，可以打印帶有數(shù)字智能內(nèi)涵的實體物品。3D打印的可編程物質(zhì)有自己的思想，將形成自己的實體，具備機械和觸覺能力。其數(shù)字處理能力將真正找到自己的腿，走進物質(zhì)世界[4]。

(3)催生新的商業(yè)模式

“眾包”是近幾年出現(xiàn)的新的商業(yè)模式建構(gòu)的一種，是一種分布式的生產(chǎn)模式，具有廣泛的適用性。在強大的新技術(shù)支撐背景下，社會化、開放式的分工作業(yè)模式顛覆了以往大規(guī)模生產(chǎn)與交易方式，重新構(gòu)建社會單元和拓撲結(jié)構(gòu)，更直接地以終端用戶價值的產(chǎn)生定義產(chǎn)出形態(tài)。

(4)取代傳統(tǒng)的中國制造模式

基于3D打印技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)平臺的全球云制造模式具備更廉價、更快捷、更綠色環(huán)保的優(yōu)勢，極有可能取代傳統(tǒng)的中國制造模式。

5 結(jié)束語

本文借助睿創(chuàng)空間這個平臺，對3D打印技術(shù)未來的發(fā)展方向進行了一些探索。同時，對3D打印技術(shù)在中國軍工企業(yè)的應(yīng)用做了一定的嘗試，目前還只是起步階段，承擔(dān)輔助作用，但呈現(xiàn)出來的可能性令人欣喜。相信在不久的將來，傳統(tǒng)的軍工制造模式將不復(fù)存在，3D打印技術(shù)將充當(dāng)不可替代的重要角色。

3D打印，作為一種強大新穎的設(shè)計和生產(chǎn)工具，賦予人們專業(yè)設(shè)計師和制造業(yè)大企業(yè)所獨有的設(shè)計和制造能力。但3D打印本身并不是魔術(shù)，在通往“自由”的終極道路上，還有很長的路要走，到底能走多遠，與其他的科學(xué)技術(shù)諸如材料科學(xué)、納米技術(shù)及工藝制造等息息相關(guān)。可以說，3D打印是先進科技的集大成者，是站在“巨人肩膀上”的產(chǎn)業(yè)。

[1] 胡迪·利普森,梅爾芭·庫曼. 3D打印: 從想象到現(xiàn)實[M]. 北京: 中信出版社, 2013.

[2] 劉玉廷. 戰(zhàn)場搶修技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與機遇[J]. 航空工程與維修, 2000(5): 19-21.

[3] 翟明明, 趙永朋. 裝備軍地一體化維修保障探析[J]. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2005, 16(5): 30-34.

[4] 張炎炎, 李大光. 3D打印技術(shù)將引起武器裝備發(fā)展變革[J]. 武器裝備, 2013(7): 54-55.

彭 為(1973-)，男，高級工程師，主要從事雷達裝備科研生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

3D Printing Technology Application in Chinese Military Enterprises

PENG Wei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The definition of 3D printing technology and its application in the western countries and China are introduced in this paper. The assembly, modeling and debugging of 3D printer in Glarun Innovation are also described in detail. Research of 3D printing technology and its application to equipment logistic support in Chinese military enterprises are expatiated. Finally the future development trend of 3D printing technology is prospected.

3D printing technology; Glarun Innovation; on-site fast repair

2013-12-12

TP334.8

A

1008-5300(2014)03-0049-04