【詳解】3D打印再制造目前存在問題與應對措施

3D打印相比于傳統(tǒng)制造方法，3D打印具有節(jié)材、節(jié)能以及成形不受零件復雜程度限制等優(yōu)勢，因此受到了國內外的廣泛關注。如今，3D打印技術已經在工業(yè)、生物醫(yī)療等行業(yè)得到廣泛的應用。  利用3D打印技術不但可以快速地實現(xiàn)新產品的“無中生有”，也可以快速地實現(xiàn)廢舊產品的“壞中修好”，并提升其性能、延長其使用壽命，這具有非常重要的經濟意義。

目前，國內外都非常重視3D打印技術在再制造領域的應用。美國已經利用3D打印技術實現(xiàn)了飛機發(fā)動機葉片、燃氣渦輪發(fā)動機零部件等的再制造，并計劃將3D打印技術應用于太空軌道修復，助力美國防部鳳凰計劃。我國在3D打印制造金屬零件及損傷零部件再制造方面也進行了深入的研究，并取得了一系列的成果。  但是，3D打印技術在再制造領域中的應用還處于初級階段。接下來我們對3D打印再制造技術目前存在的問題及其應對措施進行探討。

1  3D打印再制造及其流程  
3D打印再制造就是利用3D打印技術對廢舊零部件進行再制造修復，使其性能得到提升，服役壽命得以延長，其技術流程如圖1所示。損傷零件掃描反求 損傷零件數(shù)字化模型 模型重構 損傷零件CAD模型 與標準模型比對 再制造修復模型 模型分層路徑規(guī)劃再制造修復  

對于基于零件CAD標準模型的3D打印直 接制造，零件模型直接從標準模型庫中調取或利用三維造型軟件進行快速設計，然后對模型進行分層切片處理后即可對零件進行打印制造。由圖1可以看出，再制造修復模型的獲取是個復雜的過程，首先需要通過反求工程獲取廢舊損傷零件的數(shù)字模型，然后對數(shù)字模型進行處理，并最終通過與標準模型進行比對生成再制造修復模型。

實際上，由于造成裝備零部件損傷的因素是多樣的，零件損傷面往往也是不規(guī)則面，要實現(xiàn)零件損傷部位的原位修復，還必須進行損傷表面的預處理。另外，由于在損傷零件的再制造修復過程中，所用再制造修復材料與零件基體材料不同，再制造修復零部件中存在異質界面問題。因此，裝備廢舊損傷零部件的3D打印再制造修復不同于裝備零部件的3D打印直接制造，其涉及技術領域更廣，過程更復雜。

2  3D打印再制造目前存在問題  
雖然3D打印已經在裝備零部件的再制造中成功應用，并取得了不錯的效果。但是，由于再制造過程十分復雜，加上3D打印技術本
身還不夠成熟，目前的3D打印再制造還處于初級研究階段，還存在許多亟待解決的問題。  

（1）再制造模型獲取過程復雜，效率低下。再制造模型的獲取過程中，損傷零件數(shù)字模型的獲取及模型重構是逆向工程問題，而損傷零件CAD模型的建立是正向設計問題，存在數(shù)據(jù)處理及文件格式轉換等諸多問題。實際的再制造模型獲取步驟是：三維掃描儀對損傷零件進行掃描，獲取零件數(shù)字模型（點云數(shù)據(jù)模型）；將點云數(shù)據(jù)導入逆向工程軟件如imageware、polyworks中進行處理，構建曲面模型；將曲面模型導入正向設計軟件中進行實體化處理并與調入的標準零件CAD模型進行比對，最終生成再制造修復模型。

由此可以看出，通常情況下，再制造模型的獲取需要三方軟件的協(xié)作才能完成。同時，目前點云數(shù)據(jù)處理及曲面模型構建操作是靠人工完成的，曲面模型構建質量高低全憑經驗決定。系統(tǒng)軟件集成化、自動化程度的低下，直接導致在制造修復模型獲取效率低下，大幅度地降低了裝備損傷零部件的3D打印再制造修復響應速度。  

（2）設備便攜性差。包括兩方面：一是損傷零件數(shù)字模型獲取的反求掃描設備還存在結構復雜、需要電源、便攜性差的問題；
二是由于激光設備系統(tǒng)復雜、結構龐大，導致目前主流的基于激光的3D打印制造技術存在系統(tǒng)復雜、便攜性差的問題，無法實現(xiàn)損傷零件模型快速反求及快速再制造修復。

（3）技術相對單一。目前的主流3D打印技術都是基于激光為熱源的打印技術。激光雖然有能量集中，成形材料廣泛等優(yōu)點，但也存在系統(tǒng)昂貴、復雜等缺點，造成3D打印直接制造和再制造成本較高，普及比較困難。  

（4）3D打印精度比較低。目前的3D打印還存在精度較低的缺陷，無論是直接制造件還是再制造修復件，都需要進行后處理加工后才能使用。  

（5）材料問題。目前用于金屬零件3D打印直接制造的材料種類還比較少，導致可以進行再制造修復的裝備零部件種類有限。  

3 應對措施  
針對3D打印再制造技術目前存在的問題，為加速實現(xiàn)裝備損傷零部件戰(zhàn)場現(xiàn)場快速精確再制造保障要求，今后，3D打印技術應加大以下幾個方面的研究與應用探索：  

（1）針對裝備損傷零部件戰(zhàn)場搶修需求特點，開發(fā)專用的集成度高、自動化程度高的再制造一體化軟件系統(tǒng)。如，開發(fā)點云數(shù)據(jù)及曲面模型構建快速、自動化處理模塊，缺損零件CAD模型與標準零件模型自動配比及再制造 模型求取模塊。目前，達爾康（Delcam）集成系統(tǒng)有限公司和杰魔（Geomagic）軟件公司分別推出正逆向混合設計軟件PowerShape PRO、 Geomagic Spark，使得再制造模型獲取軟件系統(tǒng)集成度大幅度提高。另外，鑒于點云數(shù)據(jù)構建曲面模型過程繁瑣，大連海事大學已展開點云數(shù)據(jù)與零件標準CAD模型進行比對生成再制造修復模型的理論研究。點云數(shù)據(jù)模型與標準模型直接比對獲取再制造模型可以大大縮短再制造模型求取流程，提高系統(tǒng)自動化水平，進而提高損傷零件的3D打印再制造修復響應速度。  

（2）開發(fā)桌面化3D打印系統(tǒng)，降低3D打印再制造成本，提高設備的便攜性，以適應野外戰(zhàn)場現(xiàn)場快速精確保障要求。目前，美國陸軍太空與導彈防御司令部、陸軍部隊戰(zhàn)略司令部未來作戰(zhàn)中心創(chuàng)新辦公室為戰(zhàn)場人員研發(fā)了一款重量輕、價格低的3D打印機，該機可以放在作戰(zhàn)人員的背包中并在戰(zhàn)場上使用。國內深圳華朗公司開發(fā)出第四代三維掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)掃描儀自重不足1 kg，掃描時只需要一臺筆記本電腦、一個掃描儀和一個為掃描儀供電的便攜式充電器，無需常規(guī)電源供電，非常適合野外現(xiàn)場做業(yè)。  

（3）深入研究開發(fā)基于激光以外的其他3D打印技術。基于激光的3D打印技術存在系統(tǒng)昂貴、便攜性差等缺陷，應廣泛開展其他類型的3D打印技術，如基于電弧熔敷、等離子體熔敷等3D打印技術。目前，裝備再制造技 術國防科技重點實驗室已成功應用基于焊接的3D打印技術對裝甲裝備零部件進行了再制造修復。但是，相比激光3D打印技術，基于焊接的3D打印技術具有精度低、成形穩(wěn)定性差等缺點，需要進一步進行深入的研究。同時，還應加緊其他類型的，具有高精度、設備便攜的3D打印技術的探索研究。  

（4）廣泛開展3D打印材料研發(fā)工作。美國一直十分注重3D打印配套材料的開發(fā)工作。隨著3D打印技術的深入發(fā)展和打印材料需求的不斷擴展，目前，國內的3D打印材料研發(fā)與應用也日益受到關注。據(jù)報道，在2012年10月舉行的增量制造產業(yè)高端論壇暨激光燒結裝備發(fā)布會上，華曙高科與全球知名激光燒結粉末材料銷售商美國3D Link公司就激光燒結材料應用開發(fā)項目簽訂合作協(xié)議，以期開發(fā)出高性能激光燒結粉末材料。近期成立的飛而康快速制造科技有限責任公司、海源3D打印制造實驗室等單位也都把3D打印材料開發(fā)列為明確目標。  

（5）充分利用好網絡平臺，大力開展遠程3D打印再制造。據(jù)外媒報導，近期，美國陸軍研究實驗室和普渡大學開發(fā)出一種新型3D打印技術，能夠幫助部署在不同位置的士兵對裝備（如飛機、汽車）零部件進行遠程修復，提高軍事裝備效率并大幅降低維護成本。目前，國內已出現(xiàn)專業(yè)的網絡3D打印服務平臺，但關于遠程3D打印再制造的信息還尚無報道。  

總之，將3D打印技術應用于裝備損傷零部件的再制造修復中，可以大幅節(jié)約成本，降低軍隊裝備備用件的庫存量，節(jié)省國防開支，對于大幅提升損傷裝備零部件的快速精確保障響應速度、促進戰(zhàn)斗力的再生、改善軍隊戰(zhàn)備狀態(tài)有著重要的意義。隨著3D打印技術的發(fā)展與成熟，相信3D打印技術在國防科技中的應用前景將更加廣闊，同時帶來更高的軍事效益和經濟效益。

編輯：南極熊
作者：柳建，殷鳳良，孟凡軍，顧海清（裝甲兵工程學院 再制造技術重點實驗室）