【科技评论】3D打印技术对武器装备发展的影响及前景分析
提要：增材制造（又称3D打印）是当前制造技术领域的一个重点和热点方向，受到世界主要国家的普遍重视。目前,国外利用这种技术,已制造出涡轮发动机叶盘组件、火箭发动机零件、钛合金加强框等高端军用结构件，并在美国F-35战斗机、英国“狂风”攻击机等军用平台上得到应用，初步展示了应用3D打印技术在缩短武器装备研制周期、降低研制成本、提高武器性能、改进装备保障模式等方面的巨大潜力。
制造技术是决定国防工业和武器装备发展水平的重要基础性技术。增材制造（又称3D 打印）技术作为当前制造技术领域的一个重要发展方向，正在步入快速推广应用阶段，将对武器装备研发、制造、维修乃至作战行动产生深刻影响。
一、发展增材制造技术是世界主要国家制造业转型升级的战略举措
增材制造技术是依据物理三维数据模型，对粉末金属、丝材、液态高分子、陶瓷等材料进行烧结、熔化、固化，通过连续物理层叠加的方式制造出实体。增材制造技术已有几十年发展历史，经历了由原型或模型的快速原型制造到快速工具/模具制造，再到最终零件的直接数字化制造等几个发展阶段。直到近几年随着激光烧结等高温融化金属技术的发展，可以实现综合性能与锻件相当的致密金属零部件的直接制造，增材制造技术才得以迅速发展和推广应用，成为当前制造技术领域的一个热点。
美国将增材制造技术作为发展国家制造业的首要战略任务给予大力支持。美国2012年2月发布的《国家先进制造战略规划》，强调了先进制造业对国民经济和国家安全的重要性，明确要重振先进制造业的世界领导地位。2012年，美国成立国家增材制造创新联盟，包括洛克希德·马丁公司在内的85家企业、麻省理工学院和宾州大学等13所大学、9所学院和18个非盈利机构共同参与，形成了国家级实验室、工业部门、企业和大学协同创新的发展模式。欧洲2013年启动了一项面向航空、航天、核聚变等高端行业应用的增材制造金属件研究计划，共有英国、德国、法国和意大利等国28家企业、大学和科研机构参与。英国2013年拟制了加快增材制造技术发展的初步计划。日本政府2013年6月出台的经济发展战略将增材制造技术列为发展重点。
二、增材制造技术将对武器装备研发、制造和维修保障产生深刻影响
目前，增材制造技术在军事上的应用已从最初的作战沙盘模型、排爆装置上的钩子等简易装置，逐步拓展到涡轮发动机叶盘组件、火箭发动机零件、钛合金加强框等高端军用结构件，并已在美国F-35战斗机、英国“狂风”战斗机等军用平台上应用，初步显现出其在未来武器装备发展上的巨大影响。
（一）缩短武器装备制造周期，提高应对武器系统复杂性快速增长和军事需求快速变化的能力
传统的装备制造方式需要大量模具，且准备模具和制造锻坯时间长，机械加工时间长，工序多，返工次数多，导致研制周期较长。增材制造技术无需模具，一次成形，工序少，且结构设计修改容易，从而可以大幅缩短装备的研制周期。例如，美国航空航天局首次利用增材制造技术制造出火箭发动机喷嘴，制造时间从传统工艺超过1年，缩短到不足4个月。美国国防部高级研究计划局2010年启动的“自适应车辆设计制造”研发计划，核心就是采用增材制造技术实现地面车辆的快速制造。该计划开发了大量的数据模型和软件设计工具，并采取协同参与工作模式，目标是将步兵战车的全部设计和制造时间缩短80%。
（二）提高武器装备制造原材料利用率，大幅降低制造成本
增材制造技术采用了逐层累积的制造模式，对原材料的利用率远远高于传统的切削加工模式。飞机制造需要大量重量小、强度高、价格贵的钛合金件，传统工艺主要采用锻造和机械加工方法，从毛坯到成形，几乎90%的材料都被切削浪费掉。美、欧等国飞机制造商已将增材制造技术用于制造机翼等零配件，显著节约了制造成本。美国M777榴弹炮大量使用钛合金结构件，采用传统的整体锻造方法，最大的钛合金整体加强框的材料利用率不到4.9%，如果使用增材制造技术，材料利用率接近100%。火箭喷嘴是火箭发动机最昂贵的零部件之一，一般由数百个零件组成。美国航空航天局采用增材制造技术制造的火箭发动机喷嘴，仅由两个零件组成,所需组装工作大大降低，成本也随之大幅降低。
（三）显著提高武器装备零部件甚至系统的性能
增材制造设备是综合了机械、控制及计算机技术的复杂机电一体化系统，为制造高性能或超常性能结构件提供了较传统制造模式更容易实现的一种手段。美国陆军研究实验室利用增材制造技术开发的超级电容器，可在比传统超级电容器高15000倍的频率下工作，体积仅为传统电解电容器的1/10，且可靠性更高，使用寿命更长。美国采用增材制造技术制备的陶瓷炮管，制备成本与传统的镀铬成本相当，而炮管寿命远高于传统镀铬炮管。此外，采用增材制造技术制造的一些零部件具有质量小的特点，这在一些装备领域特别是航空航天领域具有重要作用。例如，美国空军正在将增材制造技术应用于F-35联合战斗机的零部件制造。F-35系列战机中，尤其是F-35B型，具有垂直起飞能力，对飞机整体重量要求比滑行起飞的飞机要苛刻得多。利用增材制造技术制造一些重型的紧固件和排气管道，有显著的减重效果，从而对战机起飞、机动等性能改善产生重要影响。
（四）改变作战部队后勤供应和装备维修保障模式，提升部队持续作战能力
增材制造设备的灵活性与便携性，弥补了传统制造模式受生产地点限制的缺陷，有望打破“后方制造，前方使用”的传统保障模式，在后勤供应和装备维修方面发挥重要作用。
增材制造技术将提高武器装备伴随保障和精确保障能力。美国陆军自2012年以来，先后在阿富汗战场部署3个内置有3D打印机的集装箱式“远征移动实验室”。该“实验室”可通过卡车或直升机灵活部署，利用塑料、钢铁和铝等材料，快速制造出部分装备零部件。还可以应用反向设计原理，利用激光扫描装置获取失效零部件的外形几何轮廓，实现损伤零件的快速修复。因此，配备有增材制造设备的作战部队，可以适当减少备件储备种类和数量，快速补充作战消耗，有助于提升前线部队的持续作战能力。航空母舰、远洋舰船以及边防海岛等小、散、远作战部队可利用增材制造技术提供伴随保障支持。
增材制造技术不受加工地点约束的优势，也为航天系统在轨维修提供了创新发展思路和手段支撑。美国航空航天局计划2014年8月将首个微重力条件下的增材制造设备送往国际空间站，用于空间站现场维修，提升航天器维护的快速反应能力。
三、增材制造未来在军事领域广泛应用仍需攻克一些关键难题
（一）增材制造技术仍面临诸多技术挑战
增材制造技术虽已在军民领域得到诸多应用，但在制造精度、加工效率等方面还存在一些问题和不足，限制了其在武器装备领域的应用步伐。
一是提升制造精度和产品品质。目前，增材制造技术的制造精度和产品品质还不够高，影响其应用到要求较为苛刻的武器装备上。例如，增材制造金属件时需要加热融化金属，有些区域因冷却率不同导致产品厚度、几何形状甚至性能参数偏离预期设计。而且，增材制造金属件表面粗糙度相比于传统方式加工的零件有不小的差距，一般还需要打磨或采用喷丸、电解抛光处理等方式进行后处理。未来，需要从优化工艺参数与材料匹配、提高内部质量检测、改善成型件表面质量等方面加强技术攻关，进一步提升成型件性能和品质。
二是加强大尺寸部件制造能力。增材制造加工过程中，随着加工件尺寸的增大，产生的内应力呈非线性增加，导致产品出现变形甚至断裂。而且，增材制造加工一般需在真空环境下进行，可加工空间越大，所需的增材制造设备的制造难度越大。未来，需要从设计与控制软件、加工材料、工艺流程和成形环境等方面进行改进，提升大型或超大型部件制造能力。
三是提高制造加工效率。目前，与成熟的传统制造技术相比，增材制造技术的加工效率相对较低，单位时间内加工的材料量还不适应大规模武器装备生产的需要。未来，需要从改进和创新加工工艺方法入手，进一步提高增材制造效率。
当前增材制造技术存在的诸多不足，更多是技术层面上的挑战。目前，世界主要国家都在努力提高增材制造技术的制造速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，不断提高成品性能和扩大适用范围。
（二）增材制造技术可使用材料的范围将得到更大拓展
增材制造技术是伴随着可使用材料范围不断扩大而发展起来的，从最初的塑料、树脂发展到钢、铝等金属材料。未来可使用的材料种类将更为多样，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，进一步推动增材制造技术在武器装备领域的发展和应用。例如，美国陆军研究办公室近期开始资助的4D打印技术（在3D打印技术概念中加入时间概念），在传统的复合材料中加入一种具有“形状记忆”功能的聚合物纤维材料，制造出的物体能够按照预定的设计要求，随着时间推移在形态和体积上自我调整，可发展成为基于外界刺激进行重新组装的智能化装备。
（三）航空航天领域有望成为增材制造技术未来应用的重点方向
美、欧等主要国家正在大力推进增材制造技术在航空航天尖端领域的应用。欧盟于2010年起开始实施“大型航空航天组件快速生产”项目，重点发展适用于钛、镍和钢的增材制造技术。澳大利亚于2012年起开始实施“微型发动机增材制造技术”项目，利用增材制造技术制造面向航空航天领域应用的微型发动机零部件。洛克希德·马丁公司2012年采用电子束增材制造技术，实现了3米长的F-35机翼钛合金零部件成形。英国空军在2014年1月对装配了采用增材制造技术研制的驾驶舱无线电防护罩、起落架防护装置以及进气口支架的“狂风”攻击机进行了成功试飞。NASA计划2014年8月将首个微重力条件下的增材制造设备送至空间站，验证在空间站中制造工具和空间组件的可行性。NASA还提出了一种称为“蜘蛛制造”的创新概念，探索一种类似“蜘蛛织网”的制造方式，利用增材制造技术实现千米级孔径物体的空间在轨制造。
（来源：世界武器装备与军事技术年度发展报告，国防工业出版社授权发表）
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