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战场环境3D打印维修保障系统——装备快速保障利器

  【摘要】战场环境3D打印维修保障系统是根据军事需求所研制的一套装备保障系统,具备扫描、反求、修复打印等功能,能对战场受损武器装备的损坏零件进行快速打印或修复,在极短时间内恢复受损武器装备原有性能,使其重新投入战场,战场环境3D打印维修保障系统以其较强的机动能力和广泛的适用性特点,极大提高了军事伴随保障能力,对未来高科技战争的快速保障及装备日常维护具有重大意义。
  引言
  3D打印技术学术上称为增材制造技术,发展过程也被称为“材料累加制造”、“分层制造”、“快速原型”、“实体自由自造技术”等[1],其原理是对三维实体进行离散叠加方式制造,3D打印技术作为一种先进制造技术,其应用范围越来越广泛,如在航空航天、车辆制造、生物医疗、精密仪器等领域都有广泛的应用。3D打印技术以其快捷制造的特点,正受到各领域越来越多的关注和重视。近年来3D打印技术在军事领域也取得了长足的进步,如火箭发动机喷嘴、大型钛合金结构件的制造等。3D打印技术在军事领域的应用,不仅仅局限于武器装备的开发研制应用,在武器装备保障领域也有极大应用前景,如美国研制的“移动零件医院”(MPH ),已能够在实战中应用。我国在3D打印技术修复应用方面也取得不少技术成果,西安交通大学[2]、装甲兵工程学院[3-4]、哈尔滨工程大学[5]、海军工程大学[6]等单位都在3D打印修复领域做出了大量研究,其中西安交通大学牵头并联合华中科技大学及空军装备部武汉汽车修理厂研制的“战场环境3D打印维修保障系统(如图1所示)”则以具体实装成果,在“第二届军民融合高科技成果展览”亮相,有望成为我军下一代战场快速应急抢修保障装备。
  战场环境3D打印维修保障系统构成
 
  武器装备种类众多,构成装备的零件材质、类型、数量更为巨大,而装备零件的维修保障需用到武器装备零件的原始设计数据,故此需配备零部件数据库软件以服务战时维修保障需求;对于损坏零部件的修复,首先需要对其进行三维反求测量,解算出修复量用以激光或弧焊3D打印修复,三维反求测量系统是关键模块之一,而零部件的种类、材质、大小等因素,决定了采用某一种3D打印方式无法满足野战条件下装备应急抢修的需求,故需配置多种3D打印系统来满足野战环境条件下的应急抢修需求。
  因此,战场环境3D打印维修保障系统由零部件数据库软件、三维反求测量系统、激光金属3D打印系统、金属弧焊3D打印系统、高分子材料3D打印系统、零件后处理设备及修复材料等模块组成,该系统具备模块化、技术集成度高、系统机动性强、适用范围广等特点。
  战场环境3D打印维修保障系统功能及修复实例
 
  (一)、系统功能
   战场环境3D打印维修保障系统功能是根据装备维修保障需求来确定的。根据野战环境需求,进行野外环境现场修复时,需要有武器装备零部件原始设计的模型、材质、工艺等信息,因此配备的“零部件数据软件”具备对零部件信息的上传、存储、下载、预览等功能。在野外环境中修复装备受损零部件,要求“三维反求测量系统”具备对破损零部件的扫描、反求、智能解算破损量等功能;由于装备种类繁多,因此零部件种类和材质也繁多,必须根据不同种类或类型对零部件进行区分后才能进一步确定如何修复,因此系统应具备对多种类型零件的修复功能。
  激光金属3D打印系统具备对精度要求较高的小型零件进行精确修复和直接成形的功能,如齿轮及齿轮轴等零件,修复时必须控制热输入量不能过大,热输入量过大会致使热影响区越大,产生内应力越大,激光金属3D打印系统采用小光斑进行熔覆,热输入量小,热影响区小,产生内应力小,修复零件的变形小,同时小光斑也有利于提高修复或直接打印成形的精度。
  金属弧焊3D打印系统,具备对装备的大型件零部件的修复或直接成形功能。金属弧焊3D打印,打印的效率较高,但如果输入量较大,易产生较大内应力,修复或成形的变形要大于小光斑激光修复或成形的变形。金属弧焊3D打印系统适合修复或成形精度要求不高的零部件,如坦克主驱动齿轮、坦克轮带导向齿等。其效率较高,能快速完成修复使装备迅速投入到战场之中。
  高分子材料3D打印系统,具备对塑料及类橡胶件的直接打印功能,武器装备种类众多,高分子材料零件如塑料件或橡胶件不可或缺,采用高分子材料3D打印系统在野外现场可直接成形损坏的高分子材料零件,如油壶、密封圈、密封垫等零件。
  (二)修复实例
  1.齿轮的精确修复案例
  (1)齿轮缺损模型STL数据的反求
  对待修断齿齿轮进行扫描,获得待修齿轮点云数据,对点云数据进行处理,智能解算出缺损待修齿的STL模型数据(如图3所示)。 
  (2)齿轮精确修复
  破损模型传输给激光金属3D打印原理样机,开启激光进行自动修复成形,修复结果如图4所示,由于激光修复热量输入少、热影响区小、热应力小、修复齿轮变形小,修复结果精度较高,经过简单的手持工具(砂纸)打磨即可使用(图5),其修复力学性能可达本体零件性能的90%以上。 
  2.大尺寸零件修复案例
  大型体零件拼接扫描:采用多幅面拼接扫描,每幅扫描点云数据自动拼接,拼接成零件点云数据,对点云数据进行处理,获得扫描反求受损零件模型,然后通过与设计模型对比,解算得到修复STL数据,然后传输给金属弧焊3D打印样机进行修复。 
  金属弧焊3D打印原理样机适用于大型受损武器装备部件的修复,其特点是效率高,大尺寸零件体积大、重量大,战时伴随保障携带备件受到限制,如轻型履带式步兵战车驱动齿轮断齿,驱动齿轮体积大、重量大,战场缺少备件,采用金属弧焊3D打印机修复受损部件具备速度快、效率高的优点,保障武器装备及时恢复战斗力。 
 
  四、战场环境3D打印维修保障系统未来应用方向
 
  战场环境3D打印维修保障系统应用范围和前景明朗,可应用于我军战时战场武器装备应急抢修,该系统可跟作战装备进行伴随保障,其“轻量化”的战场环境3D打印维修保障系统还可空投到敌后战场,以解决敌后特种作战行动中武器装备的维护问题;战场环境3D打印维修保障系统对于舰队远洋保障作用同样不能忽视,可实现真正的远海伴随保障,解决舰船编队远洋伴随保障的困局;此外,战场环境3D打印维修保障系统还可用于交通不便的海岛、高山哨所、军事基地的武器装备日常维护,也可用于战时辅助理疗器械的临时制作等。
  战场环境3D打印维修保障系统在民用领域也具有巨大的潜在市场,如厂矿企业设备的现场修复,港口或机场等装备的日常保障。
  五、结束语
 
  武器装备的快速维修保障问题是关系到战场胜负的关键问题之一,如何提高在高技术战争条件下我军的快速伴随保障能力,已成为我军必须面对的问题,战场环境3D打印维修保障系统是针对未来军事保障需求而研制的快速伴随保障系统,无论是实战环境、军事演习,还是日常装备维护,战场环境3D打印维修保障系统都具备相关的保障能力。(张连重 李涤尘 崔滨 张安峰 李帅)
 
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