空工大李应红院士报告 | 增材制造技术在作战保障中的应用

作为第三次工业革命制造领域的典型代表技术，增材制造（3D打印）的发展时刻受到各界的广泛关注。现在3D打印技术已经被广泛应用到建筑、航空航天、医药等诸多领域中。当前，3D打印技术被行内专家视为3D打印领域高难度、高标准的发展分支，在工业制造中有着举足轻重的地位。世界各国工业制造企业都在大力研发金属增材制造技术，尤其是航空航天制造企业，更是不惜耗费大量财力、物力加大研发力度，以确保自己的技术领先优势。

说起航空航天制造领域，它集成了一个国家所有的高精尖技术，是国家战略计划得以实施，政治形势得以展现的后援保障领域。而3D打印技术作为一项全新的制造技术，在航空航天领域的有效应用更是对国家国防有着重要意义。

以下为中国科学院院士、空军工程大学教授李应红就3D打印在装备保障中的应用发表的题为《增材制造更加智能化》的演讲部分内容。

在演讲中，李应红教授提到：增材制造技术在航空航天领域，对于军队作战保障有着非凡的意义。美国国防部认为增材制造是军队作战保障的颠覆性技术，在2021年1月，美国国防部所属的国防制造技术规划办公室发布了首个综合性增材制造战略报告，认为增材制造可有效推动维修与后勤保障体系改革。那么，增材制造技术在航空航天及军队作战保障中具体有哪些应用？如何实现？

一、增材制造技术在战备保障中的应用

1.利用增材制造实现创新设计，提高武器装备性能质量

说到武器装备的性能质量，不论是民用装备还是军用装备，其性能质量是否具有较高的可靠性指标特性，直接决定其产生的经济和军事效益。

近年来，随着3D打印技术不断取得突破，军事应用取得了重要进展。2012年，美国Sciaky公司的新型电子束3D打印技术取得重要突破，具备大型金属部件加工能力，美国国防部和洛克希德·马丁公司准备将其用于生产F-35战斗机的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质零部件，前期检测全部达到要求。

2.利用增材制造制备短缺零部件，降低老型号装备零部件短缺引起的风险

说到备件，它是各类武器装备必不可少的一部分，但是在实际应用中，备件短缺问题给很多军队带来了困扰。就航空战机为例来说，F22机群规模较小，备件储存不完善，大修时常常面对无备件替换的困惑，而战机驾驶舱脚踏板支架（铝合金）腐蚀故障，飞机维修时更换率高达80%，所以，对于F22战机而言，最难克服的问题之一为是否有更多的零部件来支持飞机。同样，对于F-35飞机备件短缺问题，由于全球范围内管理和运输零备件困难，就造成了对战机的维修和全生命周期费用问题成了重点关注问题。为此，11个F-35基地都认为，供应链问题对飞机战备状态或能力有负面影响。11个基地中有6个报告零件不能按时到达，或者到达的备件少于申请数量，影响日常飞行作业和维修规划。且维修问题较为严重。维修人员无法获取技术数据。缺乏足够的支持设备，如排油工具套件或电动工具，导致维修拖期和战备状态下降。

对于新战机而言，备件运输、管理、维修问题给军队带去了困扰，对于旧战机而言，由于飞机服役周期长，已停产型号备件筹措更加困难。3D打印的出现，对解决需求量少，难以保存的零部件提供了方便，创造了条件。

3.利用增材制造，赋予作战人员在战区现场敏捷解决问题的能力

增材制造作为一种可以快速、按需且可定制的制造手段，能够直接支撑军队的后勤和作战改革，能够在战前快速制造短缺零件，以满足战备需求，长期看，可驱动指挥官通过创新设计改进系统，提升装备完好率。

比如：2015年，美国陆军RDECOM装备研发和工程中心与国防后勤局一起评估阿富汗战区的高需求零件，确定螺母和螺栓是高需求零件，由于后勤方面的挑战，这些零件通常很难及时补充到位，现场制造比后勤运输更加有效。

2003年伊拉克战场，F15战斗机武器挂架损坏严重，耗尽库存。采用激光熔覆成形进行制造，不仅满足了战斗机作战任务需要，挂架寿命还提高了5倍以上。

4.利用增材制造，对武器装备零件进行修复成形

增材制造技术，除了用于生产制造外，它对高性能零件的修复方面的应用价值绝不低于其制造本身，甚至高于其制造本身。

以高性能整体涡轮叶盘零件为例，当盘上的某一叶片受损，则整个涡轮叶盘将报废，直接经济损失价值在百万之上。较之前，这种损失可能不可挽回，令人心痛。

但是基于3D打印逐层制造的特点，我们只需将受损的叶片看作是一种特殊的基材，在受损部位进行激光立体成形，就可以恢复零件形状，且性能满足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。

例如：采用激光增材与激光冲击强化复合制造装备，使两类不同激光工艺的协同控制，可提高修复性能，最终实现，铝合金热强化疲劳寿命提升210%，室温强化提高90%（同等应力），不锈钢热强化相对室温强化疲劳寿命提升3-5倍。

二、如何利用增材制造确保航空备件质量？

增材制造技术能够优化解决很多问题，但仍然可能存在缺陷，进而影响产品性能。所以，质量安全问题仍然是急需解决的关键。为此，李院士提出：对于质量问题，可通过有效的过程有效监控以便及时发现缺陷，进而缩短时间周期，减少经济成本。从保证质量的角度，李院士建议和数字航材库结合此外，面向部队的应用，要探索智能化的设计，工艺设计要结合个人经验和机器学习，采用智能化增材制造技术，通过过程监控过程参数和图像等来做机器学习与质量分析，最终报告性能考核。

为了真正促进战时用增材制造，就需要平时进行大量验证，在大修中广泛应用增材制造，对可打印的零件范围进行梳理确定，然后系统的开展机理研究、工艺研究、过程监控、智能化质量分析与考核实验，形成数字航材库，在战时直接调用。真正做的平时修，战时抢，平战结合。

三、增材制造在航空备件制造方面有哪些优势？

1.缩短新型航空航天装备的研发周期，加快试制

利用3D打印技术，制造装备零部件，无需研发零件制造过程中使用的模具，这就极大的缩短产品研发制造周期。且3D打印技术在制造方面具备高柔性、高性能、高灵活性等制造特点，对于复杂零件能够实现自由快速成型，这就使得3D打印在航空航天领域大放异彩，为国防装备的制造提供强有力的技术支撑。

2.提高材料的利用率，节约昂贵的战略材料，降低制造成本

航空航天制造领域大多都是在使用价格昂贵的战略材料，比如像钛合金、镍基高温合金等难加工的金属材料。传统制造方法对材料的使用率很低，会造成材料的极大浪费，一般不会大于10%，甚至仅为2%-5%。材料的极大浪费也就意味着机械加工的程序复杂，生产时间周期长，从而造成制造成本增加。通过增材制造技术，在物品打印成型后，只需进行少量的后续处理即可投入使用，材料的使用率达到了60%，有时甚至是达到了90%以上。这不仅降低了制造成本，节约了原材料，更是符合国家提出的可持续发展战略。

3.优化零件结构，减轻重量，减少应力集中，增加使用寿命

对于航空航天武器装备而言，减重是其永恒不变的主题。不仅可以增加飞行装备在飞行过程中的灵活度，而且增加载重量，节省燃油，降低飞行成本。但是传统的制造方法已经将零件减重发挥到了极致，再想进一步发挥余力，已经不太现实。但是3D技术的应用可以优化复杂零部件的结构，在保证性能的前提下，将复杂结构经变换重新设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果。而且通过优化零件结构，能使零件的应力呈现出最合理化的分布，减少疲劳裂纹产生的危险，从而增加使用寿命。

4.与传统制造技术相配合，互通互补

传统制造技术适用于大批量成形产品的生产，而3D打印技术则更适合个性化或者精细化结构产品的制造。将3D打印技术和传统制造技术相结合，各取所长，充分发挥各自的优势，使制造技术发挥更大的威力。如，对于表面要求高质量性能，但中心要求性能一般的零件而言，可以使用传统制造技术生产出中心形状的零件，然后使用激光立体成型技术在这些中心零件上直接成型表面零件，这样就生出了表面性能高，中心要求一般的零件，节省了工艺的复杂程度，减少了生产流程。这种互补的生产组合，在零部件的生产制造中具有重要的实际应用价值。

四、我国该从哪些方面突破航空制造技术？

说到中国的航天技术实力，我们有着引以为豪的航天项目——神舟、天宫、北斗、嫦娥、长征五号……，但是我们也要客观地看待我们的短板问题，我国的火箭发动机技术不论是煤油机还是氢氧机迄今为止都尚未达到美苏两国各自的同类型发动机的数十年前的水准。所以，我国航天技术赶超其他国家的关键技术在于发动机和燃气能机技术的超越。而增材制造技术的出现给我国航天发展提供了契机，它将成为我国航空发动机及燃气能机技术赶超世界先进水平的机遇和快车道之一。基于增材制造的优势，通过加快试制、减少连接提高可靠性、减重、特殊材料和结构制造等方面的技术改进及提升，缩小与其他国家的差距，甚至赶超其他国家在航空航天上的技术便成为了可能。

五、增材制造过程监控智能化

智能化生产必须具备“过程监测、质量分析、性能预计”的能力，要做到成形过程看的见、质量缺陷测得出、工艺过程空的住。此外，增材过程监测和关键数据采集，涉及安全的，必须做到自主可控。

来源：增材制造硕博联盟，编辑：张维官，审核：王颖