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3D打印并非武器界“神笔马良”

2018-11-21 09:02来源:科技日报

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  近日,美国陆军工程师研发中心操作世界上最大的混凝土3D打印机,在40个小时内打印出了一个46.45平方米的军营小屋。

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图① 全球最大导弹生产商雷神公司使用3D打印技术制作的导弹部件。

  

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图② 美国海军3D打印出迄今为止最小的无人机CICADA。

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图③ 3D打印出F-35联合攻击战机机翼。

  美国3D打印手枪余热未减,近日,北约“三叉戟接点”军演又传出动用3D打印备件修好了因寒冷而引起故障的卡车、坦克的消息。“3D打印制造备件可以立即交付,无需等待从仓库运零件来。”北约秘书长斯托尔滕·贝格在北约工业论坛上说。在维修过程中,有时卡车上一个2.51美元的灭火帽从美国运输过来就需要126天。

  除了打印零部件,日前,韩国军营还打印出了训练用地雷和迫击炮弹,并预计将在2025年常规性采用3D打印设施。除此之外,英军未来“科幻战舰”也可能采用3D打印武器,包括打印无人机群、电磁炮或激光炮等。那么,通过3D打印技术制造的武器装备能在战场上大显神威吗?还是会因太过脆弱而被打趴?

  适宜打印武器零部件和复杂结构件

  “从技术原理上讲,3D打印可以满足军事上对普通装备的需求,带来一种移动式、快捷性的备件保障模式。”国防科技大学前沿交叉学科学院国家安全与军事战略研究所所长、国防科技战略研究智库研究员朱启超对科技日报记者表示。“3D打印在军事上是有特殊用途的。”军事科普作家俞硕举例道,当卡车的液压管路接头或者点火帽在紧急情况下出现故障,3D打印可以缓解燃眉之急。

  始于1892年的3D打印技术受限于打印材料和打印方法,发展一直比较缓慢。近年来,3D打印产品才开始应用于食品、建筑、医疗卫生、航空航天等多个领域,随着3D打印技术在金属零部件制造上取得较大进展,各大国开始探讨其在武器装备制造与维修中的应用。

  在武器装备研制、制造、维修和复杂结构件的生产等方面,3D打印应用前景广泛,此外,伪装防护设备制作、后勤保障以及医疗部件及救助用具制作的应用也逐渐增多,因而逐渐成为世界军事强国关注和争夺的焦点。

  2012年,美国在重整制造业计划中将3D打印技术列为重点发展的11项技术之一,还于2012年和2013年部署了两个基于3D打印技术的移动远征实验室,验证基于3D打印技术的装备维修保障。

  3D打印对军用武器及设施维修疗效显著,能直接在战场上把需要的零部件“打印”出来,及时、精准完成受损装备的维修保障,快速恢复作战能力;从3D设计到零件加工的完成仅需几小时到几十小时,不需要传统制造方式的铸锭、制胚、模具、模锻等过程,可以快速低成本地进行原型机生产;整个生产过程数字化,可随时修正、随时制造,成形几乎任意形状的零件;特别是对复杂结构零部件的制造周期明显缩短;必要时可由后方设计人员根据前线维修需求临时设计新的维修工具。

  批量化制造效率过慢且条件苛刻

  传统制造是以多余材料去除和切削加工为主的减材制造,3D打印是一种“自下而上”材料累加的制造方法,被称为增材制造技术。相关资料显示,3D打印已经有十几种成形方法,主要分为两类,第一类是基于激光技术的成形方法,比如立体光刻、选择性激光烧结等;第二种是非激光技术的快速成形方法,比如三维打印、熔丝沉积等。

  然而,这种方式制造的军用装备显露出了不可避免的缺陷。“一层一层打印的方式决定军用打印成品一般尺寸不会太大,效率低,强度和质量堪忧。”俞硕举例道,一台3D打印机50分钟左右生产一个小型备件,而传统基于模型浇注的方式可能一分钟就能生产好几个。此外,众所周知,3D打印手枪和武器受材料性能限制,既不承压也不受力,用几次便会损坏。

  国外发布的资料显示,3D打印材料包括热塑塑料、尼龙、特制刚性透明材料、聚丙烯、钛合金、碳纤维等近20种,涵盖了目前绝大部门工业产品采用的材料类型,加上现有3D打印技术制作的零部件最大尺寸可达立方米级,满足武器装备绝大部分零部件的制作需求。

  对此,朱启超持怀疑态度:“难在打印材料是否符合要求。特种装备对材料要求极高,比如合金就涉及到金属材料的配比,这直接影响装备的使用寿命,否则打印产品不符合要求也没法使用。”他指出,3D打印作为一种制造技术受材料制约,此外,零部件使用中需要承受何种程度的高温、高压、耐腐蚀环境,也是需要考虑的。否则,3D打印即使可以打印出外形漂亮的产品,但也可能不敷使用。

  俞硕对此看法也表示了认同:“如果武器装备要在高温、高压环境中作战,必须要依靠非常难的成形技术才能保证武器装备的强度。”他认为,3D打印卡车是不可能的,不仅因为卡车尺寸太大,最关键的是卡车的梁与框架等受力部件都是无法打印的。

  多位专家还指出,受技术、成本的限制,3D打印技术难以取代大规模流水线生产。此外,目前3D打印成品的精度还不尽如人意,打印效率还远不能适应大规模生产的需求。“卡车生产线一天生产成百上千辆,3D打印生产一辆可能好几天。”俞硕说。

  发展更偏重零件多样化与自身小型化

  “从世界范围看,军事上3D打印不是很普遍,毕竟作为新型制造技术还在探索中,也不是每个国家都能用上这个技术。”朱启超说,“尽管现在这种技术出现在了北约军队中,但事实上它的军事应用落地还是很难。”俞硕表示:“大部分国家还没有应用,主要是没找到合适的军事用途。”

  资料显示,未来3D打印技术在军事领域的发展主要体现在提升材料多样性以满足武器装备零部件多样性需求;3D打印系统向小型化方向发展,适应野外战争迅速精确保障要求。据报道,美军为战场官兵研发了一款小型3D打印机,可以放在官兵的背包中并在战场中使用。

  “3D打印实验室随军前行是可以的,但必须是一米内的小型集装箱才能现实,用于打印小零件。”俞硕说,如果真的扛着房子大小的设施前行,在军事上非常碍事。此外,3D打印的效率也是将来应用的重要考量,“半小时修复受损装备是有价值的,如果要花一天时间那就没价值了,修什么?敌人都来了。”俞硕认为,武器装备零部件损坏,更现实的途径是购买一个新的,只有在偏远地区3D打印机才适用,“它的效费比很低,大概打印上千次产品才能收回成本。因此普遍性随军前行不乐观。”

  至于风洞试验中是否能使用3D打印制成的飞机、导弹、火箭模型来获取试验数据,俞硕认为,这些复杂模型传统工艺做起来比较复杂,3D打印的效率反而会高一些。朱启超则表示,3D打印与风洞试验能否兼容仍旧取决于风洞试验所需模型的材料是否达标。(记者 唐芳)

[责编:武玥彤]

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