激光快速增材制造技术在国防科技中的应用现状与展望

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2024-11-11

武器装备优良程度和维修补充是决定战争胜败的一个重要因素，尤其是进入工业革命以后，机械装备逐渐进入到近代战争中，并占据了主导地位。这些武器装备的频繁使用造成装备的不断损耗，使得随之而来的装备维修问题日益凸显。装备的多样性导致所需维修器材种类繁多，而维修材料品种的多样性会使得维修所需的条件更加复杂，周期更长，造成不必要的损失。随着科技的不断发展和新兴技术的不断涌现，激光增材制造技术因其独有的技术优势，逐渐成为当前工业领域的研究热点，并逐渐应用于武器装备的快速维修中。经激光增材制造技术修复后的装备，其性能甚至会优于新的装备。

1 激光增材制造技术的发展背景

增材制造技术(简称3D打印技术)是一系列快速成型技术(Rapid Prototyping 简称 RP)的统称。是根据“离散-堆积”的原理，借助于计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)的一种将设计好的三维模型转化成实体的新型技术。激光增材制造技术是增材制造技术种类中比较常用的一种[1]。激光增材制造技术(Laser Additive Manufacturing,简称 LAM)是进入21世纪以来集计算机信息技术、新材料技术、数控技术、激光技术等多种技术融合，快速发展的一门先进制造技术[2,3],目前大致分为熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling,简称FDM)2、立体光固化(Stereo Lithography pparatus,简称 SLA)3]、选择性激光烧结(Selected Laser Sintering,简称 SLS)?、激光选区熔化(Selective LaserMelting,简称 SLM)[5等。相比于传统的制造技术，激光增材制造技术的最大优点是尽可能地简化生产零件的生产过程，它不需要事先准备传统生产方式所需要的模具和毛坯，节省了加工所需要的材料，更克服了许多复杂零件的生产可能性的问题。激光增材制造技术可以用于产品开发，它可以简便地通过计算机调整各项工艺参数来优化产品的不同性能，以达到最终所需要求，而不是像传统模式那样重复大量地生产样品并测试，极大地降低了开发成本和风险。

2 激光增材制造技术在国防军事上的研究现状

增材技术最早出现在 20世纪 90年代，此技术一经现世，就给传统制造业造成了一定的冲击，制造业称之为“一次伟大的技术革命”。在出现之初，由于当时科技的不成熟，增材制造技术未得到迅速的发展。直至21世纪，随着计算机技术的飞速发展和机械化水平的不断提高以及快速成型技术的日益完善，激光增材制造技术迎来了黄金时期，得到了飞速发展，并在各个高尖端领域贡献着重要的力量，尤其是在军事和国防技术方面的作用更为突出。

2.1 国外研究现状

美国在金属快速增材制造技术方面一直领先于世界其他国家。2000年，美国海军水下作战中心(NUWC)发布实施了一项快速制造与维修(RMR)的计划。此项计划采用了激光选择性烧结技术、直接金属激光烧结、熔融堆积成型和电子束熔融等方法成功完成了制造与修复老旧零件与工装的任务[6]。2001年，美军陆军军械库还建立了 LENS 陆军军械修复系统，专门进行各种武器装备的维修和后勤保障[7]。21世纪10年代以后，激光增材制造技术的研究进程突飞猛进，取得了一系列的突破性进展，技术更加成熟，水平不断提升。为适应战场多变及其复杂的环境，最大程度发挥该技术的优势，美军在移动零件医院的基础上，加入新的加工技术和制造工艺，进一步发明了移动远征实验室(ELM)。该实验室实际上就是长度为20英尺的标准集装箱，美军可以利用直升机或者通过卡车直接将其运输到任何装备所需要维修加工的地点，然后利用塑料、钢材、铝、铜等各种原材料在现场对装备磨损或者战损的零件进行直接加工制造，确保战时装备的应急保障，可最大限度发挥装备的功能作用。除此之外，美国陆军部队还发明了一种小型的且轻便易携带的3D打印机。这种小型3D打印机可以放入背包中，在装备需要维修时，可以在战场上任何地方，通过加入所需要的原材料直接生产一些小型的装备零件，这就使得维修更加得方便快捷[7,8]。进入21世纪以来，美国海军一直进行多个增材制造项目，目的就是为了保证其海军舰队在各大洋执行任务时能够保持很高的敏捷性和效率，如为制造潜艇和舰船的轻便高质量备件，美国海军研究生院(NPS)还投资了施乐 elemX金属机器等。2017年美国橡树岭国家实验室(ORNL)与美国海军的颠覆性技术实验室合作，进行尖端技术的尝试，制造出了军事史上第一艘3D打印潜艇船体(见图1)。该船体是一个长30 英尺的概念船，通过ORNL的激光熔融沉积(FDM)大面积增材制造技术制造而成，船体具有6个碳纤维复合材料部分。与传统制造方法相比，这种3D打印技术生产速度更快，成本更低，制造成本仅为传统工艺的90??这一潜艇船体的成功制造对3D打印技术在潜艇船体制造方向的进一步研究和发展具有较大的参考价值[9]。

2023年2月，美国加利福尼亚的 Relativity Space宣布了一个技术性突破的消息，全球首款3D打印的火箭Terranl将于3月进行发射，Terranl 火箭85%是通过3D打印的方式制造而成，这次发射任务被命名为“GLHF”(Good Luck, Have Fun),发射时间为美国当地的3月8日，发射地点为佛罗里达州卡纳维拉尔角LC-16。Relativity Space在介绍Terran1 时称，其二级消耗性火箭全部采用3D打印制成，高度为110英尺，宽度为7.5英尺。

近些年，除美国以外的欧洲各国对金属快速增材制造技术也加紧了研究并取得进展。

2017年，在德国的举办的汉诺威工业展览会上，一副由增材制造生产的螺旋桨引起了人们的关注。该螺旋桨由荷兰的RAMLAB实验室联合 AUTODESK公司共同发明，后期精细处理和表面处理还使用了机械切削的处理方法[10]。此产品一经展出，便吸引了不少科技爱好者的关注，同时也促进了增材制造技术在船舶制造行业中的进一步应用。

2021年，法国的 Naval Group 公司使用WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)增材制造工艺打印出了200公斤重的螺旋桨，并安装在了名为仙女座号的探雷舰上。这项增材制造产品，最大程度地减少了材料的使用量，提高了材料的使用率。

2.2 国内研究现状

多年来，我国也紧跟国际发展趋势，开展了一系列关于武器装备增材制造的实验与应用。主要的研究单位有沈阳自动化研究所快速成形实验室，装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室等，这些实验室的主要研究方向是使用金属粉末激光成形技术和增材制造技术来进行多种步兵装甲车、部分型号战机的零件、发动机涡轮的修复和制造，以及海上舰船的螺旋桨叶片的修复与再制造和船体的维修6,7]。2012年，中国利用增材制造技术，使用钛合金原料成功打印出了 C919大飞机的中央翼缘条，并试飞成功。次年使用钛合金材料打印出了歼15、歼31的前轮支撑脚并且试飞成功11。2015年，利用增材制造技术制造出了某型号固体火箭发动机的点火装置并通过了发动机地面试车考核。同年中国兵器工业集团设立了“中国兵器工业增材制造技术研究中心”[12-14]。据新闻报道，在“补给行动-2015”军需物资油料保障演练中，我国西部军区某部队使用了3D打印设备，打印出了抢修加油车联动轴，并成功地完成了战时抢修任务，保证了任务的正常进行[15,16。另外，我国第四代隐形战机的某些关键的零件也采用3D打印技术进行制造[17]。

3 激光增材制造技术在国防军事上的应用现状

3.1 在陆军上的应用现状

在金属快速增材制造技术方面，美国率先将其应用于武器装备的维修和后备应急。2001年，在美国阿拉巴马州安妮斯顿陆军基地，美军利用增材制造技术成功修复了损伤的M1 艾布拉姆斯坦克的燃气涡轮，修复后的涡轮性能比较理想。并且，美军还利用激光近净成形技术对坦克的补偿悬臂进行了表面受损的修复。悬臂的更换成本为2000 美元，而激光增材制造的成本仅为750 美元，极大地节约了成本。此后，他们还成立了陆军移动零件医院(MPH)(见图2),移动零件医院利用3D打印技术以及各种数控加工技术在复杂的地理环境下直接进行零件的生产和设备的维修[7,18]。

2012年7月，美国快速移动部队首次完成了第一个移动实验室的建设并投入使用(如图3-5所示)。2013年1月，美军在阿富汗地区又交付了第二个移动远征实验室[1,19]。

近年来，随着金属增材制造技术的不断完善，零部件直接制造在增材制造领域发展迅速，一度成为发展最快的方向。美军也开始利用增材制造技术直接进行枪械、轻型无人机等武器装备的生产制造。2017年，美军利用增材制造技术成功快速地制造出了榴弹发射器。该榴弹发射器的发射管和受弹器均是采用了激光选择性烧结技术，利用激光烧结铝粉直接制成[19],这种制造方法极大地降低了装备生产的成本，有效地提高了材料的使用率，避免了生产材料的大量浪费。美军还利用增材制造技术直接制造出蜂群微型无人机，这种无人机体型极其微小，机翼宽度仅为2.54 cm左右，专门用来从事侦察工作。蜂群微型无人机可以通过F-16和FA/18战斗机进行发射，也可以通过地面投掷发射升空，在战争环境中可以说是极其便捷，升空之后它们可以组成蜂群实施各种侦察任务[21]。

3.2 在空军和航空航天方向上的应用现状

在空军和航空航天方向上，现代的研究思路均为基于保障安全的前提下，尽可能地减轻装备质量和制造成本，以取得最佳飞行成果。在2001 年的阿富汗战争中，美军首次采用了激光近净成形技术(LENS)将在战争中损伤的黑鹰战斗机的发动机叶片进行成功修复，修复后的叶片性能甚至超过了原来的叶片性能[22,23。不仅在空军装备修复上，增材制造在航空航天上也应用广泛。2014年，NASA向国际空间站输送了首台零重力3D打印机。该打印机由美国太空制造公司研发，其3D打印技术的成熟度达到了8级，可以胜任在太空环境中进行打印的工作。这台打印机的任务包括太空站的维修、升级和延长使用寿命，应用载荷改进，硬件太空制造等[24]。2017年9月，NASA利用铬镍铁合金和铜合金打印出了火箭发动机点火器，解决了多种金属增材制造的技术难题[23,25,26]。

2016年，一台名为“卢瑟福”的发动机被研发出来，它是世界上是首台采用电动泵输送推送剂的液体发动机14]。“卢瑟福”由美国火箭实验室公司开发，其亮点在于这台发动机75??上的零件都由增材制造技术生产而来。它不需要大量地生产各种复杂的零件，只需要提供生产零件所需要的原材料金属粉末，就可以进行生产加工，3 天便可完成，极大地缩短了生产周期，同时也减少了制造复杂零件的工作量[27]。

全球其他国家在增材制造方向的发展也十分迅速。特别是欧洲的许多国家在增材制造方面的应用十分广泛。西班牙空军已开始尝试使用增材制造来制造直升机的各种零件，包括传统工艺比较难制造的直升机起落架的泄漏控制测量工具及用于直升机主旋翼的定制钥匙[201。与传统制造相比，增材制造可降低复杂零件的制造难度，大大减小研发和生产的工作量。

3.3 在海军上的应用现状

海军舰船器材是维护海军舰船所需要的设备、装置、器械、工具、仪表及其配件等器材的总称，舰船器材的技术保障是衡量一个国家海军实力的重要依据[28]。美国海军积极推进增材制造与海上作战平台的快速融入，实现零部件在特殊情况下的自由制造。目前已经实现了各种舰艇主船体的维修修复，如航空母舰弹射器导轨盖板、洛杉矶级核潜艇垂直发射筒壁(VLS tube)等，还成功修复了多种舰艇的动力装置，如洛杉矶级核潜艇(SSN-668)推进轴密封面，弗吉尼亚级核潜艇推进器主轴等[291,同时也实现了水中兵器的零件制造和修复，像鱼雷的气缸缸体和连杆等[30]。2013年5月，美军希望通过增材制造技术生产成本低、重量轻、能够满足作战要求的无人机，以此将航空母舰等大型水上平台打造成移动的海上3D打印工厂，并且希望通过装载高质量的3D打印机来完成零部件和弹药外壳的按需制作，以此来提高舰船的空间利用率[23]。2014年，美国海军在埃塞克斯号两栖攻击舰上安装了3D打印机，利用3D打印成功机制造了油盖箱、飞行甲板模型等一系列的零部件。此外，美军还开发研制出了移动式增材制造实验室(XFAB)(见图6),布置在各种舰船上用于保障舰船的正常服役以及快速维修[31]。

英国南安普顿大学利用增材制造技术打印出了世界上第一架名为“SULSA”的增材制造无人机，此无人机的4个重要组成部分由 EOSINT P730 3D打印机在陆地上增材制造制成，制作材料为尼龙。此型号无人机以螺旋桨驱动，翼长为1.5米，重量约为3千克[32],2015年在海上成功试飞，飞行时速最高约为100 km/h,飞行时间大约为半小时，并且于2016年正式服役。相对于传统的上百万美元造价成本的军用无人机，“SULSA”无人机的成本仅为7000英镑，成本大大降低，此型号无人机在英国皇家海军“Protector”破冰船南极考察任务中得以应用[33]。

2022年3月，缅因大学为美国海军陆战队开发后勤支援船，位于奥洛诺的先进结构和复合材料中心利用3D打印制造出了两艘大型船只，其中一艘是有史以来最大的增材制造船只，用途是为美国海军陆战队提供物资储备，并进行测试，供武装部队实地使用。较大的这艘可以装载两个20 英尺的大型运输集装箱，另外一艘可以提供船上陆战队队员为期3天的食物、淡水等资源。

激光增材制造在潜艇舰船等武器装备上的不断应用与发展，标志着增材制造技术不再停留在概念阶段，而是越来越完善，并且在多个领域，尤其是在军事装备领域大放光彩，为国家的国防军事事业提供强有力的支持。

4 激光增材制造技术的现存问题

武器装备和设备的长时间使用必然会导致各种各样的故障和损坏，尤其是大型的武器装备、设备和高精装备、设备。目前，解决这一问题的主要方法是携带大量的备用零件，在武器装备和设备损坏时以便能够快速维修以恢复正常使用。这一方法虽然短时间内能够满足快速维修的需求，但是随着装备种类的多样化和零件复杂程度的越来越高，甚至一些装备零件体积质量过大，使得这种办法资源浪费严重，且备用零件过多，一旦武器装备被淘汰，伴随着的就是大量备用零件也一起被淘汰。并且，现代武器和装备使用的很多零部件对维护过程有着更高的要求，一般需要特殊的维护设备，有些甚至是需要特殊的维护工具和专业技术人员[34]。除此之外，在空防和海防装备上，由于航空装备和舰艇装备内部空间都有限，携带大量的备用零件不太现实，且质量过大也会影响作战机动。激光增材制造技术可以有效地解决上述问题，因而在国防科技中应用越来越广泛，但相应地在实际应用过程中也出现了许多问题与不足，如：生产成本较高，打印所需金属粉末的单位价格相比于对应的金属材料更加昂贵，相对于传统模具的大规模制造，其生产效率偏低。此外，在一些特殊情况下，激光增材制造技术也难以实现一些零部件的快速生产。如在陆地战场不理想的外界环境以及舰艇摇摆振动的条件下，激光增材制造过程的稳定性无法完全确保，这导致修复或再制造的装备及零部件的精度会产生误差，容易发生形变。另外，在实际军事应用中，激光增材制造技术所需的粉，大多为金属材质。在生产制造过程中，这些粉末不可避免地会发生球化，导致打印件出现不均匀的孔隙，一定程度上影响最终成品的质量，进而缩短该打印件的实际使用寿命；其次，激光在某一打

印区域快速扫描前后所产生的短时间内的巨大温差，会导致打印件变形或裂纹情况的概率性出现，从而影响成品的实际使用效果。另外，打印件的支撑较难通过简单处理直接去除，一般要通过线切割后再进行磨砂打磨。一般而言，激光选区熔化技术(SLM)以及选择性激光烧结技术(SLS)都属于激光粉末床熔融领域，适用于制造或修复体积小且高精度的装备和零部件；激光熔融沉积制造技术(FDM)适用于大尺寸但对精度要求不高的装备和零部件的生产，目前无法做到同时兼顾大尺寸制造和较高精度的生产。

5 未来发展趋势及展望

随着科学技术的不断发展，未来激光快速增材制造技术会越来越倾向于：

(1)武器维修设备小型化、轻量化。体积越小的打印设备更便于携带，尤其是在复杂的环境下、狭小的空间里都可以进行装备零件的快速维修及更替，使得武器维修不受外界坏境影响，确保装备的正常服役。根据所需零件的不同结构特征进行单元结构的自定义设计，在保证所需零件的原有形状特征不变及性能相差无几的条件下，尽可能地去除内部冗余结构，用可以简单制造的近似结构代替，以此达到战时快速制造，且作为临时备用件快速使用的要求。

(2)建立材料数值模型库，打印速度快，生产周期短。激光增材制造在国防军事的应用优点就是速度快，零部件生产周期短。尤其是在战时环境下，所需要的维修时间更是有限，这就使得对维修设备的要求不断提高。激光增材制造技术可以使零件从设计到加工成型仅仅需要几个或者几十个小时，而且生产过程全部实施数字化，不需要复杂的程序[35]。可以利用计算机建立数字模型库，将各种武器装备零部件的参数都建立起模型，对维修模型提供数字模型技术支持。当武器装备出现故障或者损坏时，可以进行随时随地地选择所需要的零件进行生产制造、更替。建立数字模型库更大的优点是可以随意更改所需零件的各种参数，不需要根据不同型号的零件制造多种零件维修设备。未来随着计算机技术的快速发展和无支撑打印技术的日益成熟，可能会实现多维立体成型技术，直接实现快速制造。

(3)打印精度高。随着制粉技术的不断提高，粉末的质量越来越好，打印材料种类也越来越多。碳纤维材料、高强高韧复合金属材料的推广以及激光源的能量密度、扫描速度、扫描功率等工艺参数的不断优化，3D打印机的打印精度会越来越高。高尖端武器装备的维修精度要求较高，所以所需要的3D打印技术不仅要速度快而且要生产的零件质量好。能够满足装备的正常使用，且零件的使用寿命尽可能地达到甚至超越原配零件寿命。

(4)与新兴科学技术结合，制造出新型的科技产品。比如与新兴的仿生学进行结合，仿生结构往往具有复杂且难制造的结构特征，利用增材制造三维立体制造的特点可以制造出传统制造不能生产的结构来实现仿生设计和梯度设计。将电子元器件直接打印至武器装备中。利用增材制造技术实现装备结构一体化19]如将天线、雷达、信号探测器等小型电子元器件直接打印在头盔、战服中，来实现战场的实时沟通以及对战场信息的及时收集。

6 结语

随着科学技术的不断发展，增材制造技术会不断完善，在一些复杂零件制造原材料价格逐渐降低的环境下，增材制造必将取代传统制造，尤其是航空航天产业，激光增材制造技术亦必将在军事国防上占据越来越高的分量。随着技术的成熟，部队将可以“轻装上阵”,减少携带各种沉重、复杂的备用装备零件，充分利用增材制造技术,就地快速制造,省时省力,并节约成本,实现国家军事实力的极大提升。

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2023年第4期·总第131期