【详解】3D打印再制造目前存在问题与应对措施

3D打印相比于传统制造方法，3D打印具有节材、节能以及成形不受零件复杂程度限制等优势，因此受到了国内外的广泛关注。如今，3D打印技术已经在工业、生物医疗等行业得到广泛的应用。  利用3D打印技术不但可以快速地实现新产品的“无中生有”，也可以快速地实现废旧产品的“坏中修好”，并提升其性能、延长其使用寿命，这具有非常重要的经济意义。

目前，国内外都非常重视3D打印技术在再制造领域的应用。美国已经利用3D打印技术实现了飞机发动机叶片、燃气涡轮发动机零部件等的再制造，并计划将3D打印技术应用于太空轨道修复，助力美国防部凤凰计划。我国在3D打印制造金属零件及损伤零部件再制造方面也进行了深入的研究，并取得了一系列的成果。  但是，3D打印技术在再制造领域中的应用还处于初级阶段。接下来我们对3D打印再制造技术目前存在的问题及其应对措施进行探讨。

1  3D打印再制造及其流程  
3D打印再制造就是利用3D打印技术对废旧零部件进行再制造修复，使其性能得到提升，服役寿命得以延长，其技术流程如图1所示。损伤零件扫描反求 损伤零件数字化模型 模型重构 损伤零件CAD模型 与标准模型比对 再制造修复模型 模型分层路径规划再制造修复  

对于基于零件CAD标准模型的3D打印直 接制造，零件模型直接从标准模型库中调取或利用三维造型软件进行快速设计，然后对模型进行分层切片处理后即可对零件进行打印制造。由图1可以看出，再制造修复模型的获取是个复杂的过程，首先需要通过反求工程获取废旧损伤零件的数字模型，然后对数字模型进行处理，并最终通过与标准模型进行比对生成再制造修复模型。

实际上，由于造成装备零部件损伤的因素是多样的，零件损伤面往往也是不规则面，要实现零件损伤部位的原位修复，还必须进行损伤表面的预处理。另外，由于在损伤零件的再制造修复过程中，所用再制造修复材料与零件基体材料不同，再制造修复零部件中存在异质界面问题。因此，装备废旧损伤零部件的3D打印再制造修复不同于装备零部件的3D打印直接制造，其涉及技术领域更广，过程更复杂。

2  3D打印再制造目前存在问题  
虽然3D打印已经在装备零部件的再制造中成功应用，并取得了不错的效果。但是，由于再制造过程十分复杂，加上3D打印技术本
身还不够成熟，目前的3D打印再制造还处于初级研究阶段，还存在许多亟待解决的问题。  

（1）再制造模型获取过程复杂，效率低下。再制造模型的获取过程中，损伤零件数字模型的获取及模型重构是逆向工程问题，而损伤零件CAD模型的建立是正向设计问题，存在数据处理及文件格式转换等诸多问题。实际的再制造模型获取步骤是：三维扫描仪对损伤零件进行扫描，获取零件数字模型（点云数据模型）；将点云数据导入逆向工程软件如imageware、polyworks中进行处理，构建曲面模型；将曲面模型导入正向设计软件中进行实体化处理并与调入的标准零件CAD模型进行比对，最终生成再制造修复模型。

由此可以看出，通常情况下，再制造模型的获取需要三方软件的协作才能完成。同时，目前点云数据处理及曲面模型构建操作是靠人工完成的，曲面模型构建质量高低全凭经验决定。系统软件集成化、自动化程度的低下，直接导致在制造修复模型获取效率低下，大幅度地降低了装备损伤零部件的3D打印再制造修复响应速度。  

（2）设备便携性差。包括两方面：一是损伤零件数字模型获取的反求扫描设备还存在结构复杂、需要电源、便携性差的问题；
二是由于激光设备系统复杂、结构庞大，导致目前主流的基于激光的3D打印制造技术存在系统复杂、便携性差的问题，无法实现损伤零件模型快速反求及快速再制造修复。

（3）技术相对单一。目前的主流3D打印技术都是基于激光为热源的打印技术。激光虽然有能量集中，成形材料广泛等优点，但也存在系统昂贵、复杂等缺点，造成3D打印直接制造和再制造成本较高，普及比较困难。  

（4）3D打印精度比较低。目前的3D打印还存在精度较低的缺陷，无论是直接制造件还是再制造修复件，都需要进行后处理加工后才能使用。  

（5）材料问题。目前用于金属零件3D打印直接制造的材料种类还比较少，导致可以进行再制造修复的装备零部件种类有限。  

3 应对措施  
针对3D打印再制造技术目前存在的问题，为加速实现装备损伤零部件战场现场快速精确再制造保障要求，今后，3D打印技术应加大以下几个方面的研究与应用探索：  

（1）针对装备损伤零部件战场抢修需求特点，开发专用的集成度高、自动化程度高的再制造一体化软件系统。如，开发点云数据及曲面模型构建快速、自动化处理模块，缺损零件CAD模型与标准零件模型自动配比及再制造 模型求取模块。目前，达尔康（Delcam）集成系统有限公司和杰魔（Geomagic）软件公司分别推出正逆向混合设计软件PowerShape PRO、 Geomagic Spark，使得再制造模型获取软件系统集成度大幅度提高。另外，鉴于点云数据构建曲面模型过程繁琐，大连海事大学已展开点云数据与零件标准CAD模型进行比对生成再制造修复模型的理论研究。点云数据模型与标准模型直接比对获取再制造模型可以大大缩短再制造模型求取流程，提高系统自动化水平，进而提高损伤零件的3D打印再制造修复响应速度。  

（2）开发桌面化3D打印系统，降低3D打印再制造成本，提高设备的便携性，以适应野外战场现场快速精确保障要求。目前，美国陆军太空与导弹防御司令部、陆军部队战略司令部未来作战中心创新办公室为战场人员研发了一款重量轻、价格低的3D打印机，该机可以放在作战人员的背包中并在战场上使用。国内深圳华朗公司开发出第四代三维扫描系统。该系统扫描仪自重不足1 kg，扫描时只需要一台笔记本电脑、一个扫描仪和一个为扫描仪供电的便携式充电器，无需常规电源供电，非常适合野外现场做业。  

（3）深入研究开发基于激光以外的其他3D打印技术。基于激光的3D打印技术存在系统昂贵、便携性差等缺陷，应广泛开展其他类型的3D打印技术，如基于电弧熔敷、等离子体熔敷等3D打印技术。目前，装备再制造技 术国防科技重点实验室已成功应用基于焊接的3D打印技术对装甲装备零部件进行了再制造修复。但是，相比激光3D打印技术，基于焊接的3D打印技术具有精度低、成形稳定性差等缺点，需要进一步进行深入的研究。同时，还应加紧其他类型的，具有高精度、设备便携的3D打印技术的探索研究。  

（4）广泛开展3D打印材料研发工作。美国一直十分注重3D打印配套材料的开发工作。随着3D打印技术的深入发展和打印材料需求的不断扩展，目前，国内的3D打印材料研发与应用也日益受到关注。据报道，在2012年10月举行的增量制造产业高端论坛暨激光烧结装备发布会上，华曙高科与全球知名激光烧结粉末材料销售商美国3D Link公司就激光烧结材料应用开发项目签订合作协议，以期开发出高性能激光烧结粉末材料。近期成立的飞而康快速制造科技有限责任公司、海源3D打印制造实验室等单位也都把3D打印材料开发列为明确目标。  

（5）充分利用好网络平台，大力开展远程3D打印再制造。据外媒报导，近期，美国陆军研究实验室和普渡大学开发出一种新型3D打印技术，能够帮助部署在不同位置的士兵对装备（如飞机、汽车）零部件进行远程修复，提高军事装备效率并大幅降低维护成本。目前，国内已出现专业的网络3D打印服务平台，但关于远程3D打印再制造的信息还尚无报道。  

总之，将3D打印技术应用于装备损伤零部件的再制造修复中，可以大幅节约成本，降低军队装备备用件的库存量，节省国防开支，对于大幅提升损伤装备零部件的快速精确保障响应速度、促进战斗力的再生、改善军队战备状态有着重要的意义。随着3D打印技术的发展与成熟，相信3D打印技术在国防科技中的应用前景将更加广阔，同时带来更高的军事效益和经济效益。

编辑：南极熊
作者：柳建，殷凤良，孟凡军，顾海清（装甲兵工程学院 再制造技术重点实验室）