3D打印技术概述及其军事运用

　　1 3D打印技术简介
　　
　　近年来，3D打印技术为人们所熟悉，并逐渐成为一种新兴的制造方式，很多国家，包括美国、德国等都高度重视并积极推广应用该技术。

　　3D打印技术的源头应追溯到20世纪80年代起步的快速成型技术（Rapid Prototyping,简称RP）。在制造业，传统的加工方法是减材制造，即通过在材料毛坯上逐步切除多余材料来制造零件。

　　3D打印技术是通过材料逐层添加，制造出三维物体的数字化增材制造（additive manufacturing）技术。其基本的工作过程为：

　　1）在计算机中利用CAD软件设计出所需要物体的三维模型图；2）利用3D打印设备中的软件，对模型进行分层切片，得到各层截面的二维图形；3）在设计文件指令的导引下，3D打印设备喷出固体粉末或熔融的液态材料，使其固化为一平面薄层，第1层固化后，在此基础上再形成第2层[1],如此往复，按顺序逐层固化或粘结相邻截面；4）去除打印过程中所需的支承材料，最后形成三维物体。

　　3D打印技术通过三维至二维的转化，在一定意义上简化了物体的成型。其不仅具有快速、柔性化、低成本和低污染等特点，而且还具有能制造出传统制造方法难以实现的复杂物体的独特优势。

　　3D打印复杂结构件示例如图1所示。

　　2 3D打印设备及其工作原理
　　
　　2.1 3D打印设备
　　
　　3D打印设备是3D打印技术的物理基础，3D打印设备的发展是3D打印技术发展和应用的重要部分。从广义上来说，3D打印设备包括激光固化式快速成型机、激光烧结式快速成型机、激光熔化式快速成型机、贴片刻写式快速成型机、电子束熔化式快速成型机、喷墨黏粉式3D打印机、熔融挤压式3D打印机、压电驱动式3D打印机、气动式3D打印机和电动式3D打印机[2].

　　2.2 3D打印设备工作原理
　　
　　1）激光固化式快速成型机的工作原理是通过激光束照射液态光敏树脂，使其固化为1层截面薄片，然后层层叠加，最终形成三维工件。

　　2）激光烧结式快速成型机的工作原理是在工作台上铺1层粉末，激光束对粉末进行有选择的扫描，使粉末外表熔化而相互粘结，逐步形成截面薄层，而未被激光束扫描的粉末仍为散状，自然形成对后续层的支承；1层成形后，工作台下降1层高度，再铺上粉末并烧结，如此循环，烧结出三维工件。

　　3）激光熔化式快速成型机与激光烧结式快速成型机的工作原理基本相同，不同之处仅在于其粉末被完全熔化，从而大大提高成型性能。

　　4）贴片刻写式快速成型机，也可称为分层实体制造快速成型机，其工作原理就是在工作台上铺带热熔胶的材料纸，激光切割出薄层轮廓线，然后工作台下降1层厚度，再铺上1层材料纸，层层粘合切割，最终形成三维工件。

　　5）电子束熔化式快速成型机是近年来新出现的，其成型工作原理与激光熔化式快速成型机基本相同，只是其熔化粉末的能源是电子束而不是激光束。

　　6）喷墨黏粉式3D打印机的工作原理与喷墨打印机相似，先铺上1层材料粉末（类似送纸），按分层图形要求喷黏结剂（类似喷墨水），再铺粉，再喷黏结剂，层层黏结，完成成形。

　　7）熔融挤压式3D打印机由目前业界着名的Stratasys公司发明。其工作原理是根据CAD确定的轮廓，被加热熔化的塑料“墨水”通过挤压式喷头喷射在工作台上，快速冷却固化后形成工件截面，然后再成形下一层，最后形成三维工件。

　　8）压电驱动式3D打印机采用了压电式喷头。所谓压电式喷头就是利用压电器件的逆压电效应来控制液体材料（“墨水”）从喷嘴中喷出。压电式碰头又可分为容积型、拍击型和开关型。

　　9）气动式3D打印机采用了气动式喷头。气动式喷头形式较多，主要有活塞开关型、时间-压力型、容积型、膜片型、雾化型和粉粒流型。其中，粉粒流型喷出的不再是“墨水”,而是金属材料粉末，并同步通过激光熔覆沉积成型，常用于制造金属构件。

　　10）电动式3D打印机采用了电动式喷头，按结构不同，主要有电磁阀型、微注射器型、电流体动力型、电场偏转型和电动螺杆型等。

　　3 3D打印主要工艺
　　
　　3.1 3D打印过程
　　
　　3D打印包括创建3D打印数据、打印和后处理3个过程。

　　1）创建3D打印数据包括零件3D模型的建立、近似处理和分层切片。

　　3D模型可通过三维CAD软件设计产生，也可通过3D扫描仪扫描已有样品产生。近似处理是将3D设计模型转化为通用STL格式文件。分层切片是将3D模型转化为一系列的二维截面图，并形成打印机的控制指令。

　　2）打印过程是打印机读取模型数据指令，逐层铺设材料，形成一系列的截面层，这些截面层依次结合或熔融成最终的工件形状。

　　3）后处理过程主要包括了工件与支撑材料的分离、必要的表面打磨和抛光处理等，有时也包括了对工件进行的强化处理和热处理等。

　　3.2 3D打印工艺
　　
　　3.2.1选择性激光烧结选择性激光烧结（selective laser sintering,简称SLS）工艺是通过利用激光能有选择地熔化粉末材料来成型。该工艺方法可分为间接打印成型和直接打印成型2类：

　　1）间接打印成型的材料为金属粉末和聚合物的混合材料，在激光作用下，聚合物熔化，并浸润金属颗粒表面，冷却后形成毛坯件，通过后续去粘结剂和渗入金属等后处理过程成为金属构件；2）直接打印成型的材料为不同熔点金属混合而成的粉末，激光熔化其中的低熔点金属，从而将粉末材料粘结起来，得到金属构件。

　　SLS工艺主要用于制造金属件。

　　3.2.2 选择性激光熔化成型选择性激光熔化成型（selective laser melting,简称SLM）工艺中的成型材料为相同的金属材料粉末，在激光的作用下，粉末完全熔化后冷却成型。一般来说，SLM工艺可以比SLS工艺有更好的零件表面质量和力学性能。

　　3.2.3电子束熔化成型电子束熔化成型（electron beam melting,简称EBM）工艺是近年来的一项新工艺技术，其采用电子束的能量来替代激光能量，而且是在真空环境下进行熔融和冷却过程，可以避免金属与空气中氧、氮的亲和反应。该工艺具有更高的功率，成型速度以及更好的零件致密性、强度和表面质量。西亚基（Siacky）公司就是采用这种工艺为F-35战机制造钛合金零部件。

　　3.2.4分层实体制造分层实体制造 （laminated object manufactur-ing,简称LOM）工艺与上述几项工艺有较大的差异。其成型材料不是粉末，而是纸张或塑料膜。每铺设一层，便由激光切割成型，层层粘合，形成工件。

　　该工艺成型较快，适合制造大型、厚实的塑料或纸质构件。

　　3.2.5 熔融沉积成型熔融沉积成型 （fused deposition modelling,简称FDM）工艺中的成型材料一般为热塑性塑料丝。成型材料被输送至喷头中熔融，然后由喷嘴挤出沉积于工作台面上冷却成型。该工艺主要适用于制造塑料零件。

　　3.2.6激光固化成型激光固化成型 （stereo lithography appratus,简称SLA）工艺是在3D打印领域最早发展和应用的快速成型工艺技术，其成型材料为液态光敏树脂。盛于液槽中的光敏树脂位于工作台面上的一层在激光照射下发生聚合反应，快速固化成薄片层，工作台下降1层，液态树脂自动流过已成型层，层层叠加，形成最终工件。

　　4 3D打印技术在军事领域的应用
　　
　　4.1 飞行器零部件制造
　　
　　航空航天是3D打印技术运用最广泛的领域之一，国内外均已有成功的应用案例。飞行零部件往往结构复杂，形状特异，采用传统的制造方法不仅难以实现，而且成本很高，而这恰恰是3D打印技术擅长之处。

　　美国RLM工业公司利用3D打印技术制造“爱国者”防空系统齿轮组件，其制造成本由原来采用传统制造工艺的2~4万美元降低到1250美元。通用电气公司采用3D打印技术制造发动机钛合金零件，使每台发动机成本节省了2.5万美元。

　　洛克希德马丁公司在F-35战斗机副翼翼梁上使用了西亚基（Sciaky）公司3D打印的钛合金零件，并进行了飞行测试验证[3].2个公司还联合研制了F-22战斗机钛合金支座，并经过了全寿命光谱疲劳试验和负载试验。

　　波音公司利用3D打印技术制造了约300多种不同的飞机零部件，其中包括将冷空气导入电子设备的复杂形状导管。英国皇家空军1架装配有3D打印金属部件的旋风战斗机试飞成功，其装配的3D打印部件包括驾驶室的无线电防护罩、起落架防护装置及进气口支架[4].雷尼绍（Renishaw）公司采用AM250激光熔融成型工艺，用3h就能制造一款航空用的双层网状结构冷却部件，零件材料为钛合金材料，内部具有复杂的精细流道结构。特斯拉公司老板，传奇企业家艾隆·马斯克（Elon Musk）的SpaceX公司，使用3D打印技术为其最新的龙飞船2号制造了发动机最重要的部分之一SuperDraco推进器。

　　北京航空航天大学王华明教授团队的“飞机钛合金大型复杂构件激光成型技术”,在2013年获得了国家技术发明奖一等奖。目前，该技术在我国已投入工业化制造，使我国成为继美国之后第2个掌握飞机钛合金结构件激光快速成型技术的国家。采用该技术，我国自主研发了尺寸大且形状复杂的大型客机C919机头钛合金主风挡整体窗框[5].该团队研发的制造装备最大加工零件尺寸达到4m×3m×2m,是目前全球最大的激光快速成型装备，其制造的钛合金构件的综合力学性能已经达到或超过相应锻件的相关指标[6].

　　叶盘是发动机中的重要部件，而整体叶盘将发动机转子叶片和轮盘形成一体，可简化结构，减轻质量，并可提高气动性能。贵州黎阳航空动力有限公司采用激光快速成型工艺成功研制出了符合性能要求的钛合金整体叶盘[7].

　　4.2 无人机与模型飞机
　　
　　2013年，EADS公司采用3D打印技术，用热塑性材料制造出了微型无人机原型和无人机暂用零件。英国南安普顿大学则利用增强型ABS塑料打印出了一架小型无人驾驶飞机“SULSA”（见图3）,其翼展2m,最高时速可达100mi,还配备有微型自动驾驶系统，可用于巡航。据称这是世界上第1架“3D打印”飞机，且已试飞成功。美国空军研究实验室也采用3D打印技术制造出了一架成为“可任意使用的微型飞行器”无人机，且已完成了飞行测试。

　　风洞试验是任何飞机研制必不可少的一个过程，以试验飞机各项气动外形性能。风洞试验模型要求模型数据准确，具有一定的强度。采用传统方法加工周期长，成本高；而直接采用设计模型数据的3D打印制造的飞机模型很好地满足了低成本、快速制造的要求。

　　4.3装备保养维修
　　
　　如果仅靠大量的备件来保证装备全寿命的保养维修，或者战时的紧急维修，无疑需要付出巨大的经济成本。

　　3D打印技术为装备的柔性维修提供了可能，一旦零件损坏，只要有零件的3D模型，就可以在短时间内制造出来，而不必等待供应商的工厂制造，也避免了停产风险。

　　在现场应用3D打印技术来保障航空产品易损零部件的维修更换，是一种很有效地方法。美国某空军基地就配备了相应的3D打印设备，用于在基地制造出无人机机体部件、整流罩和天线等，以保障训练。

　　4.4太空制造

　　目前，所有的太空任务都是依赖发射工具，将执行任务所需的设备、工具和备用零部件等从地球发送至太空，但人们无法预测哪些零部件将在漫长的太空旅行中失效；因此，在执行太空任务时，往往需要携带相当多的备用部件，以确保太空任务的安全与高效。

　　然而，研究表明，每多携带0.45kg进入太空，成本就将增加约1万美元，因此如不降低载荷的质量和体积，将会使太空探索成本居高不下。为此，美国国家航空航天局（NASA）提出了“太空制造”的构想，将3D打印设备发送至太空，宇航员借助3D打印设备自行在太空中制造其执行任务所需的大部分硬件，如耗材、通用工具、失效或损坏的零部件，甚至是小型卫星的组件，以显着提高人类执行太空任务的可靠性和安全性，同时大幅降低太空探索成本。

　　2012年，美国华盛顿州立大学某研究团队，开展了旨在利用3D打印技术为小型科研卫星生产金2013年，该研究团队演示了利用3D打印设备和仿月球岩石材料生产零部件的相关工作，使美国的“太空制造”计划向前迈进了重要的一步。

　　4.5军事电子
　　
　　3D打印技术在军事电子方面尚未见成熟的应用案例，但其可能的应用场景已开始逐渐露出端倪。

　　美国加利福尼亚大学伯克利分校研究采用3D打印技术制作有机底电极场效应晶体管。美国康奈尔大学在其研制的三维打印机上打印出了成型电路和有机电化学晶体管。热管是电子设备的高效散热器件，加拿大蒙特利尔综合理工学院用3D打印技术制作了用于集成电路芯片散热的微型热管。机电传感器，尤其是微型传感器，也可用3D打印方法制作。在一体化天线方面，美国伊利诺伊大学学者已打印出了三维微型曲面天线（见图4），日本学者在大型曲面上打印成型天线，深圳微航磁电有限公司在2013年采用3D打印技术制作了3D希尔伯特卫星GPS天线，获得了比四臂螺旋天线更好的性能。

　　采用特殊喷头，3D打印机可以喷射金属焊料，用于形成芯片倒装焊中的晶片凸点，也特别适合于难度很高的三维电气互联。

　　5 结语
　　
　　3D打印技术的独特优势是可以制造出几乎任何形状的物体，小批量、多品种、柔性化和定制化是其最适宜的场景，但其也有局限性：例如，在生产大批量塑料零件方面，采用传统塑模制造方法依然具有成本低、速度快的优势；在金属零件加工方面，3D打印技术的精度和表面质量还远不能与传统机械加工方法相媲美；虽然3D打印金属结构件已开始在航空中有所应用，但离大面积采用还有距离；美国在F-35战机中开始采用了部分3D打印钛合金承力结构件，但在F-35B战机中应用的依然是传统锻造成型的钛合金结构件。

　　由此可见，在一个相当长的时期内，3D打印技术是对传统制造方法的一种有效补充。随着3D打印技术的不断完善和进步，其应用领域和深度会不断拓展，但3D打印技术不会颠覆或替代传统制造业。

　　参考文献
　　
　　[1]Lison H,Kurman M.Fabricated-the new world of 3Dprinting[M].Wiley:Indianpolis,2013.
　　[2]王运赣，王宣.三维打印技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2013.
　　[3]谢静.3D打印技术在航空领域中的应用[J].科技资讯，2014（3）:161-162.
　　[4]楠综.英国使用3D打印技术生产战斗机金属部件[J].军民两用技术与产品，2014（3）:31.