【前沿科技】改变武器制造的3D打印技术

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3D虎 2015-08-05 17:53:49 2202
微导读:

利用3D打印技术制作不需要模具,可以实现虚拟设计到现实的直接转化,对武器生产更有着积极深远的影响。那么3D打印技术与传统技术相比又有些什么优点和不足呢?

  利用3D打印技术制作不需要模具,可以实现虚拟设计到现实的直接转化,对武器生产更有着积极深远的影响。从整体上讲,由于武器装备的日趋复杂,研制时只有通过原型机反复试验才能发现问题并纠正。那么3D打印技术与传统技术相比又有些什么优点和不足呢?


【前沿科技】改变武器制造的3D打印技术


  缩短武器制造周期


  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。3D打印技术无需模具,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3D打印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3D打印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%。


  降低生产成本


  3D打印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。


  美欧等飞机制造商已将3D打印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3D打印技术,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3D打印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。


  提高武器零部件性能


  3D打印设备是综合了机械、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。


  美国采用3D打印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3D打印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3D打印技术应用于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3D打印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。


  实时提升维修效率


  3D打印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。


  3D打印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3D打印设备的作战部队,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3D打印技术提供伴随保障支持。


  3D打印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3D打印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。


  不足


  制造精度及加工效率仍有不足


  3D打印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,3D打印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,3D打印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,3D打印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。


  二是加强大尺寸部件制造能力。3D打印加工过程中,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,3D打印加工一般需在真空环境下进行,可加工空间越大,所需的3D打印设备的制造难度越大。


  三是提高制造加工效率。目前,与成熟的传统制造技术相比,3D打印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。


  发展


  世界主要国家制造业转型升级的战略举措


  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。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。


  美国将3D打印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3D打印创新联盟,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个非营利机构共同参与,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3D打印金属件研究计划,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3D打印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3D打印技术列为发展重点。

(来源:E讯网) 关键词: 3D打印技术 3D打印武器 3D打印设备 3D打印 3D打印技术
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