3D打印技術(shù)在軍工企業(yè)中的運(yùn)用范文

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《電子機(jī)械工程雜志》2014年第三期

13d打印技術(shù)

3D打印的專業(yè)名稱應(yīng)該是“快速成型技術(shù)”或“增材制造技術(shù)”，是依托信息技術(shù)、材料科學(xué)和精密機(jī)械等多種學(xué)科的一種尖端技術(shù)。增材制造是指不經(jīng)過車、銑、鉆等傳統(tǒng)“減材”切削加工，而是通過堆疊材料來直接形成最終產(chǎn)品的一種制造理念。它將多維制造變成簡單的由下至上的二維疊加，從而大大降低了設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜度，可以制造傳統(tǒng)方式無法加工的奇異結(jié)構(gòu)，尤其適合動(dòng)力裝備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上關(guān)鍵零部件的制造。3D打印行業(yè)的發(fā)展始終凸顯著“創(chuàng)新突破”這一關(guān)鍵特質(zhì)，技術(shù)發(fā)展日新月異，現(xiàn)在只是3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化初級(jí)階段，未來3至5年將是3D打印技術(shù)最為關(guān)鍵的發(fā)展機(jī)遇期，其成長遵循的技術(shù)成熟曲線如圖1所示。

2睿創(chuàng)空間3D打印技術(shù)研究

2．13D打印機(jī)的組裝睿創(chuàng)空間遇到的第一個(gè)難題就是3D打印機(jī)的組裝，圖2為3D打印機(jī)的組裝全過程。機(jī)架組裝的難點(diǎn)在于要確保支撐桿是一個(gè)正方形，不能是平行四邊形，因此在裝配和調(diào)試的過程中，需要對(duì)塑料結(jié)構(gòu)件的位置進(jìn)行微調(diào)，并確保塑料結(jié)構(gòu)件的內(nèi)孔被修正到剛好能在螺桿上自由平移的程度;擠出機(jī)的安裝難點(diǎn)則在于安裝時(shí)，需要注意大齒輪與電機(jī)之間的墊片數(shù)量，防止二者的間隙過小而影響齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又不能太大，需確保銅桿凹槽能夠順利擠絲。圖3為3D打印機(jī)的軟件安裝圖。在軟硬件安裝到位之后，點(diǎn)擊“Connect”進(jìn)行鏈接。

2．23D打印機(jī)的軟、硬件調(diào)試組裝完成后下一步就是調(diào)試，圖4為3D打印機(jī)的調(diào)試全過程。調(diào)試過程的難點(diǎn)之一是雙電機(jī)的驅(qū)動(dòng)問題，Z軸電機(jī)按并聯(lián)方式連接時(shí)，雖有很好的高速性能，但其所需的電流是按串聯(lián)方式連接時(shí)的1．4倍，由于控制卡的驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)能力有限，因此容易出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊過流現(xiàn)象，導(dǎo)致死機(jī)。因此3D打印機(jī)在組裝時(shí)Z軸電機(jī)應(yīng)采用串聯(lián)方式連接，如圖5所示。在調(diào)試3D打印機(jī)作單軸運(yùn)動(dòng)的過程中，X軸方向上的皮帶輪軸承處的螺母易脫落，用彈墊防松效果不好，需采用防松螺母;Y軸方向上的電機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)卡死問題，經(jīng)查是由于結(jié)構(gòu)位置沒有準(zhǔn)確校正，皮帶與運(yùn)動(dòng)平面存在一定的角度θ，當(dāng)熱床向右移動(dòng)時(shí)，∠θ不斷變大，皮帶拉力F在X軸向上的分量F1增大，F(xiàn)在Y軸向上的分量F2減小，當(dāng)F2減小到無法克服阻力時(shí)，Y軸方向上的電機(jī)運(yùn)動(dòng)就被卡死。因此需盡可能地減小θ角，使皮帶與Y軸平行運(yùn)動(dòng)。單軸運(yùn)動(dòng)調(diào)試如圖6所示。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，加熱床的實(shí)際溫度和軟件顯示溫度之間存在差異，主要原因是由于加熱電路板和鋁床之間的粘合物使用錯(cuò)誤，應(yīng)將硅膠換為導(dǎo)熱硅脂。在打印過程中發(fā)現(xiàn)打印不準(zhǔn)確，經(jīng)分析其原因?yàn)?運(yùn)動(dòng)控制精度低，缺乏有效可靠的插補(bǔ)控制能力;運(yùn)動(dòng)軸往返運(yùn)動(dòng)存在間隙，具體如圖7所示。

2．33D打印機(jī)的建模3D打印機(jī)的散件組裝調(diào)試完畢之后，睿創(chuàng)空間利用開源硬軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)打印機(jī)成功運(yùn)行。通過對(duì)3D打印軟件參數(shù)的研究，經(jīng)過不斷修改調(diào)整，打印出的小黃鴨、金字塔、玫瑰花等模型已日臻精致完美。通過Pro/E、Autodesk等數(shù)字建模工具，可自主地進(jìn)行正向、逆向模型設(shè)計(jì)，最終成功實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)產(chǎn)品的3D模型打印制作。圖8和圖9是睿創(chuàng)空間利用建模軟件制作的飛機(jī)模型以及為參賽機(jī)器人制作的頭盔建模圖片。

33D打印技術(shù)在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

睿創(chuàng)空間的成立為中國電科開啟了3D打印技術(shù)軍民融合的探索之路。一直以來，中國電科不斷探索3D打印技術(shù)的軍民融合之路，以期突破現(xiàn)有傳統(tǒng)模具的生產(chǎn)制造工藝、工序的高成本、長周期的瓶頸，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)串行設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橥絽f(xié)同模式，使其在軍品的工業(yè)造型設(shè)計(jì)、風(fēng)洞試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可裝配性、干涉檢查等方面成為全三維結(jié)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)重要的輔助設(shè)計(jì)手段，從而可以在極大程度上縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。將3D打印和軍工生產(chǎn)緊密結(jié)合，搭建開放性平臺(tái)，可推動(dòng)其與科研生產(chǎn)過程的有機(jī)結(jié)合，以手段創(chuàng)新提高工作效率，還可激發(fā)員工的創(chuàng)新思維，提升員工的崗位技能及自我解決難題的能力，從而提升人力資源的有效利用率。在3D打印機(jī)項(xiàng)目成功運(yùn)作的基礎(chǔ)上，3D打印技術(shù)被陸續(xù)運(yùn)用到精益保障、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)等項(xiàng)目中，并已取得階段性成果，在綜合保障之在場(chǎng)快速維修中發(fā)揮了重要作用。下面以某裝備為例，具體闡述3D打印技術(shù)在裝備綜合保障領(lǐng)域的應(yīng)用。裝備的在場(chǎng)快速維修是指在合理的戰(zhàn)術(shù)時(shí)間段內(nèi)，對(duì)受到損傷的裝備系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，從而使其恢復(fù)戰(zhàn)斗能力所進(jìn)行的修理。戰(zhàn)場(chǎng)情形瞬息萬變，快速有效的在場(chǎng)搶修至關(guān)重要，能夠?qū)崿F(xiàn)戰(zhàn)斗能力的成倍增長。圖10是通過對(duì)某部門一定數(shù)量裝備的戰(zhàn)損情況進(jìn)行分析后得出的裝備戰(zhàn)傷搶修效果圖。戰(zhàn)傷率基本保持在8%。圖10中的3個(gè)曲線帶狀部分代表3種不同的戰(zhàn)斗損傷修理能力:最低的曲線帶表示最“不理想”的情況，即所有戰(zhàn)傷裝備無法投入戰(zhàn)斗所形成的變化曲線;中間曲線帶為假設(shè)50%的戰(zhàn)傷裝備能在24h內(nèi)修復(fù)，它代表具備中等搶修能力的情況;最上邊的曲線帶代表具備良好的戰(zhàn)傷搶修能力的情況，即50%的戰(zhàn)傷裝備可在24h內(nèi)被修復(fù)，30%的戰(zhàn)傷裝備可在48h內(nèi)被修復(fù)，其余20%的戰(zhàn)傷裝備則無法進(jìn)行在場(chǎng)修復(fù)。每一條曲線帶的下限表示2%的戰(zhàn)損率，上限表示提高生存性后，戰(zhàn)損率為1%的情況。從圖10可看出，在基線戰(zhàn)損率為2%的情況下，一周以后，有良好戰(zhàn)傷搶修的裝備的可用率是“不修理”的裝備的4倍左右。如果裝備戰(zhàn)損率由2%降為1%，可用率僅為沒有降低前的2倍左右。另外，裝備設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展增加了裝備的復(fù)雜程度，也增加了在場(chǎng)戰(zhàn)傷搶修的難度，傳統(tǒng)的方式方法已無法滿足要求，需要有新的搶修技術(shù)和方法。3D打印技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)完美地滿足了在場(chǎng)快速維修的全部需求，它能夠?qū)ρb備的部件，無論復(fù)雜與否，進(jìn)行快速現(xiàn)場(chǎng)“生產(chǎn)”，快速補(bǔ)充所缺部件，使裝備得到良好的搶修。且3D打印的生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)技術(shù)的3倍，打印出的產(chǎn)品更加精細(xì)輕盈(重量輕60%)，且同樣堅(jiān)固。可以預(yù)見，未來3D打印技術(shù)將會(huì)顛覆傳統(tǒng)的裝備技術(shù)保障維修手段［2］。

43D打印技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)顛覆了眾多行業(yè)中的設(shè)計(jì)、原型設(shè)計(jì)和制造流程，給材料科學(xué)、生物科學(xué)帶來翻天覆地的變化，它正由以往的概念性技術(shù)演變成一場(chǎng)全新的技術(shù)革新。雖然3D打印技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的出現(xiàn)并不短暫，但并未形成一個(gè)互為關(guān)聯(lián)、互為加強(qiáng)的龐大有機(jī)整體。如果假以時(shí)日，3D打印技術(shù)終將會(huì)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)模式產(chǎn)生明顯的解構(gòu)與建構(gòu)作用，從而顛覆傳統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，使科學(xué)技術(shù)和創(chuàng)新呈現(xiàn)爆發(fā)式的變革，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:(1)定制個(gè)性化的復(fù)合新型材料3D打印機(jī)可以通過新的方式將原材料加以混合，甚至可以根據(jù)需求對(duì)材料進(jìn)行個(gè)性化的復(fù)合定制。在一個(gè)較小的范圍內(nèi)部，它以納米級(jí)的精度嵌套多種材料，并將之編排到復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)中，使新材料、納米尺度以及印刷電子器件融于一體，同步制造與組裝出多元結(jié)構(gòu)的部件，展示出堪稱神奇的新特性［3］。(2)實(shí)現(xiàn)智能制造智能制造的邏輯控制的實(shí)現(xiàn)有3種控制能力:控制物質(zhì)的形狀、構(gòu)成和行為，即實(shí)現(xiàn)物體在結(jié)構(gòu)、材料與活性上的三者有機(jī)統(tǒng)一。這3種控制能力的階段性實(shí)現(xiàn)都會(huì)引起制造業(yè)的巨大變革。其中控制行為意為將程序?qū)戇M(jìn)材料，使之具備所需的功能，也即不再打印被動(dòng)的零部件和材料，而是打印能夠感知、能夠反應(yīng)、能夠計(jì)算和能夠行為的綜合的主動(dòng)系統(tǒng)，可以打印帶有數(shù)字智能內(nèi)涵的實(shí)體物品。3D打印的可編程物質(zhì)有自己的思想，將形成自己的實(shí)體，具備機(jī)械和觸覺能力。其數(shù)字處理能力將真正找到自己的腿，走進(jìn)物質(zhì)世界［4］。(3)催生新的商業(yè)模式“眾包”是近幾年出現(xiàn)的新的商業(yè)模式建構(gòu)的一種，是一種分布式的生產(chǎn)模式，具有廣泛的適用性。在強(qiáng)大的新技術(shù)支撐背景下，社會(huì)化、開放式的分工作業(yè)模式顛覆了以往大規(guī)模生產(chǎn)與交易方式，重新構(gòu)建社會(huì)單元和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更直接地以終端用戶價(jià)值的產(chǎn)生定義產(chǎn)出形態(tài)。(4)取代傳統(tǒng)的中國制造模式基于3D打印技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的全球云制造模式具備更廉價(jià)、更快捷、更綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，極有可能取代傳統(tǒng)的中國制造模式。

5結(jié)束語

本文借助睿創(chuàng)空間這個(gè)平臺(tái)，對(duì)3D打印技術(shù)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了一些探索。同時(shí)，對(duì)3D打印技術(shù)在中國軍工企業(yè)的應(yīng)用做了一定的嘗試，目前還只是起步階段，承擔(dān)輔助作用，但呈現(xiàn)出來的可能性令人欣喜。相信在不久的將來，傳統(tǒng)的軍工制造模式將不復(fù)存在，3D打印技術(shù)將充當(dāng)不可替代的重要角色。3D打印，作為一種強(qiáng)大新穎的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工具，賦予人們專業(yè)設(shè)計(jì)師和制造業(yè)大企業(yè)所獨(dú)有的設(shè)計(jì)和制造能力。但3D打印本身并不是魔術(shù)，在通往“自由”的終極道路上，還有很長的路要走，到底能走多遠(yuǎn)，與其他的科學(xué)技術(shù)諸如材料科學(xué)、納米技術(shù)及工藝制造等息息相關(guān)。可以說，3D打印是先進(jìn)科技的集大成者，是站在“巨人肩膀上”的產(chǎn)業(yè)。

作者：彭為單位：南京電子技術(shù)研究所