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3D打印技术在后勤装备中的应用研究.doc

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3D打印技术在后勤装备中的应用研究 冯林 王岩 赵小兵 解放军 92117 部队 摘 要: 为在后勤装备保障中引入3D打印技术, 本文阐述了3D打印技术的基本原理和核 心理念, 剖析了 3D 打印技术的主流分层加工工艺, 通过与传统加工模式的对比, 揭示了3D打印技术的突出优点, 同时对3D 打印技术的发展趋势进行了总结。 通 过以上分析并结合后勤装备的研制、生产和维修保障的特点, 深入论证了 3D打 印技术在上述领域的应用潜力和价值。 关键词: 3D打印; 快速成型; 增材制造; 概念模型; 0.引言 3D打印技术是以数字化模型为基础, 应用特殊的成型设备, 用液化、丝化、粉 末化的材料, 通过逐层添加堆积的方式实现无模成型的一种快速成型技术。 由于 其将复杂的三维形状的零部件制造转换为简单的二维平面形状的逐层打印, 因 此具备一体化“材料制备与精确成型”的特点。近年来, 3D打印技术在国内外 日益受到重视, 其关键技术研究不断取得突破, 性能不断提升, 在军事领域的 应用取得一系列重要进展, 本文初步探讨3D 打印技术在后勤装备的研制、生产 和维修保障等方面的潜在需求及应用优势。 1.3D打印技术分析 1.1 3D 打印概念 3D打印技术又称“增材制造”, 是80年代末 90年代初在美国兴起的一项高新 制造技术, 被认为是近 20年来制造领域的最重大变革之一。“增材制造”的核 心理念是“分层处理、层面制造、逐层叠加”, 由于其分层加工的过程与喷墨打 印十分相似, 故称之为 3D打印。 1.2 3D 打印技术分类 按照分层加工的工艺不同, 3D打印技术主要分以下几种。 (1) 三维打印技术 (Three Dimension Printing, 3DP) :使用标准喷墨打印技术, 通过将液态联结体铺放在粉末薄层上, 以打印横截面数据的方式逐层创建三维 实体模型。 (2) 熔融层积成型技术 (Fused Deposition Modeling, FDM) :将丝状的热熔性 材料加热融化, 同时三维喷头在计算机控制下, 根据截面轮廓信息, 将材料选 择性涂覆在工作台上, 快速冷却后形成一层截面。 一层截面完成后, 机器工作台 下降一个分层厚度再成型下一层, 直至形成整个实体造型。 (3) 立体平版印刷技术 (Stereo Lithograph Apparatus, SLA) :以光敏树脂为 原料, 通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进 行逐点扫描, 被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化, 形成零件的一个 薄层。 一层固化完成后, 工作台下移一个层厚的距离, 然后在固化好的树脂表面 再敷上一层新的液态树脂, 直至得到三维实体模型。 (4) UV紫外线成型技术 (Ultraviolet Radiation Process, URP) :与 SLA相似, 不同的是其利用UV 紫外线照射光敏树脂, 一层一层由下而上堆栈成型, 成型的 精度最高。 (5) 激光成型技术 (Digital Lighting Process, DLP) :与SLA相似, 不同的是 其使用高分辨率的数字光处理器 (DLP) 投影仪来固化液态光聚合物、逐层的进 行光固化, 由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化, 因此速度较 SLA快。 (6) 选区激光烧结技术 (Selected Laser Sintering, SLS) :通过预先在工作台 上铺一层粉末材料 (金属粉末或非金属粉末) , 然后让激光在计算机控制下按 照截面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结。然后不断循环, 层层堆积成型。 1.3 3D 打印技术优点 与传统通过对原材料进行切削、组装进行生产的“减式”加工模式不同, 3D打 印创造性的通过逐层堆积材料实现了“加式”加工, 由此带来一系列革命性变 化。 (1) 促进设计制造一体化 计算机辅助工艺 (CAPP) 在今后一段时期还无法实现与 CAD、 CAM完全无缝集成, 设计制造一体化难以在此基础上得到进一步的实现。3D打印技术减少了机械加 工, 能直接从计算机模型数据中生成各种形状的物体, 突破了制约设计制造一 体化的瓶颈。 (2) 提高装备结构集成度 受传统生产工艺所限, 装备大多由若干零部件组装起来构成装备的主体结构。 这 种组装式的结构增加了产品的质量、体积、辅助度和故障概率, 同时在制造和组 装过程中浪费大量的人力物力。3D打印技术的“加式”方法能够实现高性能或超常性能的构件和结构, 甚至某些特殊结构可通过一次成型而无须组装, 不仅 提高了加工效率, 也提高了装备的结构强度与可靠性。 图1 传统的串行设计研发流程 下载原图 图2 基于 3D打印技术平台的并行设计研发流程 下载原图 (3) 加快装备研发进程 装备原理样机的试制通常需要消耗相当长时间, 是造成装备研制周期滞后的主 要因素之一。 目前, 3D打印技术能够实现600dpi分辨率, 每层厚度只有0.01mm, 打印出的物体不仅可以展现外部造型设计, 其内部结构甚至运动部件也都可以 完全呈现。 同时可使用的材料种类逐渐丰富, 从主流的高分子材料到金属、 石料, 据不完全统计, 主流 3D打印设备已经可支持 120余种材料进行3D打印。 打印速 度方面, 垂直可达到 25.4mm/h 以上。因此, 3D 打印技术有望缩短装备原理样机 的制造时间, 有利于加快装备研发进程。 2.3D打印技术应用需求分析 2.1 3D 打印发展趋势分析 随着智能制造的进一步发展成熟, 先进信息技术、控制技术、材料技术等不断在 3D打印技术中得到应用, 3D打印技术的发展呈现出如下发展趋势: (1) 3D打印效率和速度继续提升。随着并行打印、连续打印、大件打印、多材 料打印等工艺方法的成熟, 打印速度和效率将会得到更大提升。 (2) 3D打印材料更加广泛多样。随着先进材料的不断发展, 新聚合材料、纳米 材料、合成生物材料、功能梯度材料、非均质材料及智能材料等都有望应用于 3D打印。 (3) 3D打印设备成本大幅下降。随着技术进步及推广应用, 3D打印设备呈现系 列化、便捷化的趋势, 打印设备的成本将大幅下降。 (4) 3D打印应用领域进一步拓展。3D打印技术早期主要运用于航空、航天、机 械、建筑等行业的模型制作。现在已开始用来制造飞机、汽车、等高科技含量零 部件, 甚至皮肤、骨骼等活体组织。有理由相信 3D打印技术将在更加广泛的行 业和领域中得到应用。 2.2 3D 打印技术在后勤装备中的应用需求分析 后勤装备是实施后勤保障的装备, 是军队装备的重要组成部分。 后勤装备又可分 为通用后勤装备和各军兵种专用后勤装备。例如:海军专用后勤装备是海军实施 后勤保障所使用的专用舰艇、飞机、车辆及设备、器材、装具等的统称。主要包 括岸基装备、海上装备、岸海衔接装备, 涉及海军军需、卫生、油料、运输补给、 军港勤务等不同专业。 随着军队建设的发展, 后勤装备将不断提高技术水平, 为 此需要大量应用3D 打印技术在内的新技术、新材料、新工艺。 2.2.1 3D 打印技术在后勤装备研制中的应用需求 后勤装备研制传统上首先由承研单位完成装备的总体设计, 而后承研单位与承 制单位合作完成装备的工程设计, 接下来由承制单位负责样机试制, 样机出厂 后再交由使用方进行使用评价, 根据使用方使用意见承研单位再对样机设计进 行修改完善, 并由承制单位整改样机, 如此经多次反复, 才能完成研制工作。 此 设计研发流程如图 1所示。 从图1 中可知, 各环节间甚至各环节内部间缺乏交流沟通的统一平台, 研发流 程完全是串行模式, 致使研制效率较低, 时间与开发成本较高。 例如, 在装备总 体设计阶段, 项目团队往往只能借助抽象的手绘草图进行方案设计讨论, 尽管 CAD技术的应用可以实现在计算机上建立 3D 模型, 在一定程度上弥补平面设计 的不足, 但在精度、质感、触感的等各方面往往与预期的概念设计存在较大的偏 差, 不便于项目团队间以及各研制单位间就相关问题展开交流, 影响了方案比 较分析的合理性。 通过应用3D打印技术, 可以打造一个精准的平台, 甚至带来设计研发流程的变 化。如图2所示。 从图中可知, 由于具有 3D打印技术平台的支撑, 设计研发流程引入了更多的并 行工程方法, 例如在总体方案阶段, 基于3D 打印的概念模型能够使承研单位、 承制单位甚至使用方都能够直观地看到和触摸各方案模型, 比较各个方案下装 备的结构、外形和功能的差别与优缺点, 从而更合理的确定最优方案。同时 3D 打印的模型能够更有效地反映出方案中存在的问题, 使得以往在后续环节才可 能暴露的问题可以在设计的早期阶段就被发现并加以解决, 最大限度地减少设 计反复, 缩短装备研制时间, 节省研制经费。 甚至对于某些器材和装具的样机试 制, 完全有可能利用 3D打印技术直接“打印”出原理样机。 2.2.2 3D 打印技术在后勤装备小批量生产中的应用需求 各军兵种作战装备专业化程度高, 后勤保障往往呈现“一对一”的特殊性, 相 当数量的后勤装备尤其是专用后勤装备主要采取小批量生产的方式。 这与传统工 业生产追求大批量、流水线作业的方式有很大不同, 容易出现零部件采购周期 长、单位成本高、各批次间质量控制难等问题。3D打印技术恰恰最适合定制化 的专门领域, 应用 3D打印技术进行小批量装备的生产完全可以利用一台设备创 建出装备的各个部件, 然后直接组装成型。 2.2.3 3D 打印技术在后勤装备维修保障中的应用需求 3D打印技术具有快速制造的特点。据报道, 美军研发了基于3D打印技术的“移 动零件医院”并将其投入阿富汗战场实际使用, 能根据需求快速地进行零部件 的小批量生产与修复。美军甚至正在开发可以放到背包中的 3D打印设备以便战 场环境下快速复制零件。后勤装备现场级维修以换件修理为主, 以海军为例:其 涉及在远海条件下的后勤装备, 过去为了保证战备完好性, 出航准备期间需要 补充相当比例的备品备件, 给后勤保障造成很大负担。3D打印技术为解决上述 问题提供了有效的技术手段, 进一步减轻后勤保障压力。 结论 3D打印技术正在飞速发展, 技术潜力逐渐发挥, 应用领域不断扩大。为此, 加 强3D打印技术在后勤装备中的应用研究, 对促进后勤装备建设意义重大。 参考文献 [1]罗大成, 刘延飞, 王照峰, 等.3D打印技术在武器装备维修中的应用研究 [J].自动化仪表, 2017 (4) :32-36. [2]王华明.高性能金属构件增材制造技术开启国防制造新篇章[J].国防制造技 术, 2013 (6) :5-7. [3]董洁, 赵升祥, 铁梅.3D 打印技术——掀起制造技术的新革命[J].科技智囊, 2013 (5) :79-84. [4]张楠, 李飞.3D 打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响[J].机械设计, 2013 (7) :97-99. [5]安孟长, 徐曼, 董正强, 等.2012 世界军民两用技术发展特点回顾[J].军民 两用技术与产品, 2013 (1) :8-11.
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