异军突起的特种制造技术——3D打印

第八章 异军突起的特种制造 技术——3D打印

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3D打印,又称为快速成型技术,是一种以数字模型文件为基础,以液体、粉末状或片状等可黏合物质为材料,通过逐层打印方式构造物体的技术。实现3D打印需要依托信息技术、精密机械、材料科学等多个学科领域的尖端技术,但其操作流程并不复杂。

传统打印过程中,只需通过计算机点击“打印”按钮,一份数字文件便被传送到喷墨打印机上,打印机将一层墨水喷到纸张表面后,便形成一幅二维图像。3D打印的工作原理与此类似。

图示(https://www.daowen.com)

3D打印过程大体可分为三个阶段:

第一阶段

通过扫描或计算机建模,构建目标物体的三维 模型。

第二阶段

将3D模型按照某一坐标轴以微米级的分辨率切割成逐层的截面,即切片。

第三阶段

打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层打印,同步将各层截面按原来的位置堆积黏合起来,从而制造出一个三维实体。

依据打印原材料不同,3D打印可分为熔融沉积快速成型、三维粉末粘接、光固化成型、选择性激光烧结等技术工艺。

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与传统制造工艺相比,3D打印具有很多优点:

第一

制造周期短,时效性强。传统制造工艺中,产品从概念设计到最终定型,需要经过反复锻造模具、定制首版样品、技术验证、改进设计等环节,往往需要很长的时间周期;而3D打印可省略锻造模具等过程,且修改和再制造也非常方便,极大缩小从设计到产品的时间差。例如,我国首架自主研发的C919商用大飞机,它的4个主风挡窗框尺寸大、形状复杂,若采用传统方法生产,需要两年时间。然而,现在采用3D打印技术制造,只需55天就可完成。

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第二

材料消耗低,效费比高。传统制造工艺是“等材制造”或“减材制造”,前者如铸造、锻造、冲压等使材料变形的工艺,材料并没有增加或减少;后者如车、铣、刨、磨等方式,通过将原材料切割、磨削、腐蚀、熔融等工序,除去多余部分形成零部件,然后经拼装、焊接形成产品,这个过程会浪费大量原材料。3D打印是“增材制造”工艺,根据计算机模型层层增加材料打印出产品,整个生产过程几乎没有原材料浪费。

第三

制造工艺新,设计空间无限。传统制造工艺的产品结构复杂程度受限,适合批量化、规模化生产;3D打印擅长制造复杂化、高难度和个性化的产品,更适合单件或小批量产品的生产,恰好与传统制造工艺形成互补。此外,3D打印的产品是自然无缝连接,结构之间的稳固性和连接强度要高于焊接等传统方法,加工任意复杂的物体都没问题。

第四

限制因素少,普适性强。传统制造工艺很大程度上受到生产环境、生产人员专业水平等因素的制约;而3D打印由计算机读取模型文件进行喷制打印,只要有适宜的原材料和设计好的模型,无需特殊的环境和场地就能打印出实物,甚至还可以通过网络远程打印,而且对操作人员也没有特殊的技能要求,具有广泛的适应性。

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3D打印被称为“第三次工业革命的重要标志”和“决定未来经济的12大颠覆性技术”之一,正在引发制造业的深刻变革。目前,世界强国争相开展3D打印技术研究,并广泛应用于军事领域。

在装备研制方面,3D打印可用于武器装备复杂结构件的制造生产。美国空军与3D System公司签订了一份价值295万美元的两年期合同,研发适用于F-35战斗机的3D打印技术,旨在降低飞机制造成本,减轻质量,缩短生产周期。

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在装备保障方面,一旦武器装备出现战损需更换零部件,可通过3D打印技术重新打印所需的部件并快速装配,使武器装备重新投入战场。据报道,美陆军于2012年至2013年间,先后在阿富汗部署了两个基于3D打印技术的移动实验室,用于制造军用部件或装备组件。

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在弹药保障方面,前方作战部队使用携行的3D打印机,在某种精确制导武器需求量不大的情况下,完全可以现场生产出所需的弹药。

在战场伪装方面,3D打印能根据现场需要和目标的个性化特征,快速制作完成伪装防护器材,使伪装后的目标隐蔽性更好。

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世界上第一架3D打印的飞机

在战场救护方面,3D打印技术可以对受损皮肤、关节、骨骼甚至器官进行小批量、数字化的定制,最大限度满足不同伤员的医疗需求。

在给养保障方面,利用基于3D打印技术的后勤给养流动保障方舱,伴随作战部队实施野战给养保障,可快速完成不同种类、诸多样式的主食加工制作以及相应的副食保障,增强后勤保障的时效性。