呂金建 ,賈長治, 楊建春

(1.陸軍工程大學石家莊校區(qū)，河北 石家莊　050003；2.南通理工學院 機械工程學院，江蘇 南通　226002)

3D打印技術的出現(xiàn)使備件現(xiàn)場制造成為現(xiàn)實，豐富了裝備維修的方法，對于推動武器裝備維修的發(fā)展具有重要意義[1-2]。美軍早在2012年在阿富汗戰(zhàn)場上部署了一套“快速制造系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由2個車載方艙組成，一個方艙裝載一臺激光近成形設備，另一個方艙則裝載一套5軸“多功能數(shù)控機床”[3]。該快速制造系統(tǒng)主要用于為美軍駐阿富汗部隊提供裝備備件，極大地提高了裝備維修效率并減少了備件運輸費用。

3D打印技術采用粉末或絲狀材料逐層堆積的方法進行零件的成形，與材料“去除法”相比，3D打印能大大縮短生產(chǎn)周期，減少鑄模的成本，而且具有較高的柔性、適應性及減少材料浪費等特點[4-5]。目前世界上應用較廣泛的金屬3D打印技術主要有4種，分別為選區(qū)激光熔化技術(SLM)、激光立體成型技術(LSF)、電子束選區(qū)熔化技術(EBSM)和電子束熔絲沉積技術(EBFFF)。其中SLM技術成型精度最高，可成型高度復雜零件，成型出的零件最接近最終裝配件，后期加工少[6-8]。因此筆者采用SLM技術進行應急制造研究。

3D打印并非萬能，結構簡單、體積較小的備件易于成形且制造成功率高、所需時間短，結構復雜且體積較大的不僅耗時長且成形成功率難以保證。武器裝備上零件數(shù)量巨大，難以全部制造出來驗證其是否可以采用3D打印技術進行應急制造，因此筆者提出裝備備件應急制造性并建立裝備備件應急制造性評價模型。應急制造性的含義為備件在規(guī)定時間內通過3D打印技術和其他后加工手段被制造出來，并達到預定性能的能力。

應急制造受到技術性、經(jīng)濟性、時間以及需制造零件所需性能等多種因素的影響，其中有定性也有定量因素，并且具有明顯的層次性。為提高評價結果的準確性，筆者基于模糊綜合評判法對備件應急制造性進行評價。

1　備件應急制造性評價指標體系的建立

針對備件應急制造的特點和受到的約束，筆者選取技術性A1、成形件性能A2、成形時間A3、經(jīng)濟性A44個一級指標及材料可成形性等10個二級指標對備件可應急制造性進行評價，評價指標體系如圖1所示。

1.1　技術性

技術性是指備件進行應急制造是否在3D打印和精加工技術方面可行。根據(jù)戰(zhàn)場應急制造的條件，選取以下指標加以衡量：

1)材料可成形性。不同材料的熔點、成分和對激光的利用率不同，因此成形質量和成形效率存在較大區(qū)別。材料可成形性越高，則能達到的最大成形效率值也就越高，成形質量更好，且易于控制，成形成功率也越高。

2)零件復雜程度。SLM技術可一次性成形復雜零件，但往往需要加入支撐，否則所成形零件變形嚴重，甚至無法成形，從而影響到備件制造的成功率。戰(zhàn)場搶修時間短，任務重，且戰(zhàn)場上需要現(xiàn)場制造的零件可能遠不止一個，從全局考慮，該指標具有重要意義。

3)后期加工量。SLM技術成形的零件一般需要少量的機加工才能安裝使用。不同零件需要加工的精度、工作量及難度不同，且技術人員對加工掌握熟練程度存在差異，因此精加工所需時間有可能占用較多，且難以估計。因此該指標采用定性分析法進行分析。

1.2　成形件性能

SLM技術成形件的質量和性能是決定能否進行應急制造的關鍵因素?？剂苛慵阅軆?yōu)劣的關鍵指標是力學性能。為了便于評價，筆者選取力學性能中的硬度、強度和韌性作為二級指標。目前所用材料經(jīng)SLM技術成形后力學性能難以超過炮鋼的力學性能，為了便于歸一化處理，采用力學性能滿足度來定義指標。由于戰(zhàn)場搶修時間緊迫，在搶修中多以達到作戰(zhàn)的部分性能為目的，因此應急制造的備件不一定必須到達全壽命水平。

各零件的工況、失效形式不同，因此對材料要求也就有所差異。選區(qū)激光熔化所成形零件難以滿足各項力學性能要求，因此在對力學性能進行評價時，采用與性能要求進行對比的方式來計算力學性能滿足程度。對于對某力學性能要求極低的零件，令其力學性能滿足程度為100%。

1.3　成形時間

成形時間是決定是否進行應急制造的決定性因素。目前國內外尚未開發(fā)出能夠準確計算成形時間的軟件，對打印時間的估計多憑經(jīng)驗進行粗略計算，這種方式往往誤差較大。在實際制造零件時往往需要添加一部分支撐，支撐的添加不規(guī)則，添加量沒有明確規(guī)定，進一步增加了計算成形時間的難度。在成形工藝相同的條件下，制造時間主要取決于待成形備件的體積、最大成形高度。

1)成形備件總體積決定激光掃描總長度，在相同工藝條件下體積越小，激光掃描總長度越短，所用時間越少。

2)最大成形高度決定鋪粉次數(shù)，SLM技術中鋪粉是一個重要步驟，鋪粉效果的優(yōu)劣影響到成形質量的優(yōu)劣，筆者所用設備鋪粉時間長達6.8 s，所以不能忽略不計。

1.4　經(jīng)濟性

1)制造成本比。由于金屬粉末制備較困難且效率較低，因此金屬粉末的成本較高，普通的不銹鋼粉末價位在200～800元/kg之間，性能較好的工具鋼粉末價位可超過1 000元/kg。而普通的鋼材一般幾千元可以買到1 t，可見3D打印制造成本之高。為了便于比較，選用3D打印與傳統(tǒng)制造同一零件的成本比值為指標。

2)設備損耗。不同材料對設備的損耗不同，含碳量越高的材料，對設備的損耗越大。尤其在設備長時間工作后，過濾網(wǎng)易發(fā)生堵塞，成形艙內氣體循環(huán)變差，且密閉環(huán)境下全透鏡難免被氧化產(chǎn)生的煙污染。過濾網(wǎng)堵塞會加快全透鏡的污染，全透鏡污染嚴重時，透光性變差，照射到粉末上的激光能量減少，如此不僅影響成形質量，而且極易造成全透鏡炸裂。目前設備損耗難以進行量化，因此現(xiàn)階段只能根據(jù)專家經(jīng)驗對設備損耗進行定性分析。

2　火炮備件應急制造性評價模型建立

2.1　模糊綜合評判

模糊綜合評判[9]就是基于模糊數(shù)學，對受到多種因素制約的事物，把界限模糊、難于定量的因素定量化，而后對其進行綜合評判。

建立因素集U={u1,u2,…,un}，評判集V={v1,v2,…,vs}。設R為U到V的評判矩陣，則

(1)

式中,rij為對U的第i個因素ui進行評判，對于評判集V中第j個元素vj的隸屬度。

對U中各因素賦權，它可表示為U的一個模糊子集W={w1,w2,…,wn}，且∑wi=1,i=1,2,…,n。在R與W求出之后，則綜合評判數(shù)學模型為S=W°R。

2.2　模糊隸屬度計算

2.2.1隸屬度函數(shù)

矩陣R中元素rij表示某個被評事物從因素ui來看對vj等級模糊子集的隸屬度，設隸屬度函數(shù)為線性函數(shù)，其表達式如下：

其中j=1,2,…,m,當j=1時，

(2)

當j=2,3,…時，

(3)

當j=m時，

(4)

式中：xi為第i個指標的實測值；v(j)為分級代表值。

2.2.2評價標準的確定

評價標準代表一個密度區(qū)間，即分級代表值vj[10]。備件應急制造性分級代表值的界限確定比較模糊，因此，在vj不能明確標出的情況下，可采用參考值代替分級代表值。根據(jù)備件應急制造現(xiàn)狀，將各應急制造性劃分5個評價等級(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，如表1所示。

表1　備件應急制造性評價等級

2.2.3模糊隸屬度的確定

根據(jù)表1的分級情況和應急制造現(xiàn)狀，對所研究的10個單項指標進行分析，得出結果如表2所示。對于定性指標的模糊隸屬度可根據(jù)專家打分法獲得，對于定量指標的模糊隸屬度可根據(jù)表2和式(2)～(4)計算得到。確定各指標的模糊隸屬之后便可得到二級指標對各自一級指標的模糊判斷矩陣Rk，k=1,2,3,4。

表2　備件應急制造性評價指標各級別標準的分級代表值

2.3　指標權重求解

運用層次分析法(AHP)[11]和專家打分法來確定權重向量 。AHP指數(shù)標度[12]如表3所示。

表3　層次分析法的指數(shù)標度及其含義

構造備件應急制造性A與下層指標的判斷矩陣為

通過計算得CR=0.015<0.1，滿足一致性要求，求得權重向量為W=(0.46，0.28，0.16，0.1)。

同理可求得各一級指標下二級指標的權重向量如下:

W1=(0.42,0.23,0.35)

W2=(0.54,0.29,0.17)

W3=(0.6,0.4)

W4=(0.8,0.2)

2.4　備件應急制造性評價模型

筆者所建模型為二級綜合評判數(shù)學模型[13]，其表達式為：

(5)

式中,“°”為模糊合成算子，采用M(·,⊕)加權平均型算子進行計算。

為了充分利用綜合評判提供的信息，直觀的反映出備件應急制造性，引入等差法設定評價分級標準，建立備件應急制造評價標準分值函數(shù)：

K=(100,80,60,40,20)T

根據(jù)以上結果可得應急制造性評價得分為：

F=S·K

(6)

3　實例分析

現(xiàn)以某型火炮撥動子為例進行實例分析，該零件的主要作用是帶動擊針壓縮彈簧儲存擊發(fā)能量，其失效形式主要為磨損失效。撥動子的三維模型如圖2所示，支撐設計如圖3所示。

本文試驗所用設備為廣東信達雅三維科技有限公司生產(chǎn)的DiMetal-50，成形材料為17- 4PH不銹鋼。各評價指標實際值根據(jù)成形設備、成形材料以及撥動子特征而定，各指標值如表2中撥動子實際值一欄所示。

將表2中的實際值及各分級代表值代入式(2)～(4)可計算得到各定量指標的模糊隸屬度，對于定性分析的指標其隸屬度由專家打分確定，結果如表4所示。

表4　各指標模糊隸屬度

根據(jù)表4即可得到技術性、成形件性能、成形時間、經(jīng)濟性各指標的模糊判斷矩陣，代入式(5)和(6)計算得到撥動子的應急制造性評價得分為87.1分，評價等級為優(yōu)。

為了驗證備件應急制造性評價模型的準確性，筆者進行了SLM技術成形撥動子的試驗，成形的撥動子如圖4所示，成形所用時間為80 min，用時較短，經(jīng)過少量加工后能夠安裝到炮閂上并發(fā)揮其功能。試驗證明該撥動子的制造性較優(yōu)秀，與評價結果一致，因此該試驗結果證明備件應急制造性評價模型較為準確。

4　結束語

筆者基于模糊綜合評判法，充分利用試驗統(tǒng)計結果和專家經(jīng)驗，將影響備件應急制造性的主要指標進行量化，得到模糊隸屬度矩陣，并運用AHP法確定這些指標的相對權重，引入評價分級標準，最后通過一系列計算得到備件應急制造性評價得分。用直觀的數(shù)字來表達裝備備件的應急制造性，對于戰(zhàn)場搶修中應急制造備件具有一定的參考價值。

隨著科學技術的高速發(fā)展，3D打印技術的精度越來越高、速度越來越快，備件應急制造的效率也會隨之提高，適合進行應急制造的零件也越來越多。本文大多數(shù)指標隸屬度的確定需依據(jù)3D打印設備的性能而定，因此筆者所建立的評價模型同樣適用于其他3D打印設備。

參考文獻(References)

[1] 中國機械工程學會.3D打?。捍蛴∥磥韀M].北京：中國科學技術出版社，2013:1-4.

China Mechanical Engineering Society. 3D Printing: printing future[M].Beijing: China Science and Techno-logy Press, 2013:1-4.(in Chinese)

[2] 郭朝邦，胡麗榮，胡冬冬,等.3D打印技術及其軍事應用發(fā)展動態(tài)[J].戰(zhàn)術導彈技術，2013(6)：1-4.

GUO Chaobang, HU Lirong, HU Dongdong, et al. 3D printing technology recent application in military fields[J]. Tactical Missile Technology，2013(6)：1-4. (in Chinese)

[3] 胡劍波.軍事裝備維修保障技術概論[M].北京：解放軍出版社，2010.

HU Jianbo. Introduction to military equipment maintenance and support technology[M]. Beijing:People’s Liberation Army Press，2010. (in Chinese)

[4] 李滌塵，田小永，王永信,等.增材制造技術的發(fā)展[J].電加工與模具，2012(增刊1)：20-22.

LI Dichen, TIAN Xiaoyong, WANG Yongxin, et al. Developments of additive manufacturing technology[J]. Electro Machining & Mold, 2012(Sup1)：20-22. (in Chinese)

[5] 鞏水利，鎖紅波，李懷學.金屬增材制造技術在航空領域的發(fā)展與應用[J].航空制造技術，2013(13)：66- 71.

GONG Shuili, SUO Hongbo, LI Huaixue. Development and application of metal additive manufacturing technology[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(13)：66-71.(in Chinese)

[6] 趙劍峰，馬智勇，謝德巧，等.金屬增材制造技術[J].南京航空航天大學學報，2014,46(5)：675-683.

ZHAO Jianfeng, MA Zhiyong, XIE Deqiao, et al. Metal additive manufacturing technique[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2014,46(5)：675-683. (in Chinese)

[7] ZHOU Linxi, YANG Quanzhan, ZHANG Guirong. Additive manufacturing technologies of porous metal implants[J].China Foundry, 2014,11(4):322.

[8] BRODIN H,SAARIMAKI J. Mechanical properties of lattice truss structures made of a selective laser melted superalloy[C]∥13th International Conference on Fracture.Beijing:IEEE，2013:1-10.

[9] 韓立巖，汪培莊.應用模糊數(shù)學[M].北京：首都經(jīng)濟貿易大學出版社，1998.

HAN Liyan, WANG Peizhuang. Applied fuzzy mathema-tics[M]. Beijing: Capital University of Economics and Business Press, 1998. (in Chinese)

[10] 王春秀. AHP-模糊綜合評價法在崗位評價與績效評價中的應用研究[M].河北：華北電力大學出版社，2005.

WANG Chunxiu. Application of AHP-fuzzy comprehensive evaluation method in job evaluation and performance evaluation[M]. Hebei: North China Electric Power University,2005. (in Chinese)

[11] 許樹柏.層次分析原理[M].天津：天津大學出版社，1988.

XU Shubai. Principles of analytic hierarchy process[M]. Tianjin: Tianjin University Press, 1988. (in Chinese)

[12] 張文鴿，黃強. 層次分析法AHP標度分析及其在水利工程評價中的應用[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2006，34(3):152-156.

ZHANG Wenge, HUANG Qiang. Scale analysis of AHP and its application in evaluating water conservancy engineering[J]. Journal of Northwest A & F University:Na-tural Science Edition,2006，34(3):152-156. (in Chinese)

[13] 馬亞龍，邵秋峰，孫明,等.評價理論和方法及其軍事應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013:106-109.

MA Yalong, SHAO Qiufeng, SUN Ming, et al. Evaluation theory and method and its military application[M]. Beijing：National Defense Industry Press, 2013:106-109. (in Chinese)