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【深度解读】3D打印在美国军事领域的应用

2017-04-14 09:00
魏丁小陆
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美国《空天力量杂志》在其网站发表了代顿大学材料工程学博士阿曼达·希兰德的文章,对当下大热的增材制造技术在军事领域的应用现状及前景进行了深度分析与解读。阿曼达·希兰德是引信电子学与设计项目的首席研究员,负责美国空军研究实验室弹药部的“柔性电子与通用兵器制造”和“极端环境中的电子集成电路”项目。

▲AM技术能保障机敏性,它以快速而低廉的设计和制造,迅速产生出单一或多种原型机件,满足一系列任务需要,包括实地即时修理和更换部件

战略机敏性概念,以灵活、适变和速度为其属性,藉此来应对快速和意外变化带来的挑战。战役机敏性也是这样,其特征是针对特定的挑战迅速生成多个应对方案,并能在不同的方案之间切换,由此应对新现的威胁。增材制造(以下简称AM,又称3D打印)技术适时而生,正好能够满足战略和战役层次的机敏性需要。长远来看,AM有可能是一项改变游戏规则的技术,即能最大限度地利用多域(陆地、天空、海上、太空、网络)整合,从而生成巨大的灵活性。正视现实,21世纪的防务挑战不可能用单独一个方案来解决,只能依靠机敏性来提供多种对应方式。

飞速的变化既对那些滞后落伍者构成难以逾越的障碍,也为那些机敏应变者带来长久的优势。我们虽不需要总是以最快速度行动,但是保持这样的速度选择,就能减少对手的反应机会。AM技术能保障机敏性,它以快速而低廉的设计和制造,迅速产生出单一或多种原型机件,满足一系列任务需要,包括实地即时修理和更换部件。我们把3D打印设备和材料预置或投放于各战略地点——包括陆地、海洋、太空——就形成按需生产机件的能力,从而缩短设计和装配这两个阶段的制造周期。有充分的理由相信,AM技术有潜力支持美国众多面向的国防使命,同时生成长远的成本节约效益。

本文考察美国空军的一些关键报告、规划文件和其他相关资源,通过这些战略框架文件研判AM能力在军队的现状和发展,并在此基础上提出对未来联合研发努力的一些认识和看法。虽然本文主要关注美国空军,但文中的AM研发概念可以适用于国防部的所有军种和机构。本文首先概述AM技术在军队的发展,然后探索此技术在物流和后勤支援领域的作用,进一步,本文评估AM技术对国防采办流程的影响,最后讨论此技术的未来机遇和挑战。

▲为了实现多域整合效果,美国空军研究实验室正积极将AM技术应用于各种领域

AM技术在军事领域的发展

美国正在大力振兴工业制造业,其中的一项努力是大力拓展AM技术所具备的有效设计复制和快速样机制造能力。例如,《沃勒斯2015年报告》称,AM工业自1995年以来有了巨大发展,最初的市场规模为2.95亿美元,在2014年估计达到41亿美元。工业3D打印机制造商也从1995年的15家增加了两倍多,如今在13个国家有49家公司,共售出12850套系统,每套系统价值5000美元到50万美元不等。使用AM技术的主要产业,按从大到小的顺序排列,有工/商业机械(17.5%)、消费产品/电子产品(16.6%)、汽车(16.1%)、航空航天(14.8%)、医疗/牙科(13.1%)、学术机构(8.2%)、政府/军事(6.6%)、“其他”产业如油、气、商用产品(3.9%)、及建筑业(3.2%)。虽然根据这份报告,政府/军界对AM技术和产品的使用仅占统计总值的6.6%,但这比之前2014年的数据增长了1.2%。

军队每个军种以及大部分供应基地和军械库,都在进行独立的AM开发努力和上马项目。比如,陆军、海军及国防部承包商,从2012年到2014年把3D打印机前沿部署到了“战地”,并在继续推进这项努力。军种之间也有重大合作,所有合作项目已在过去两年内启动或加强,投资也在持续增加。

为了实现多域整合效果,美国空军研究实验室设在佛罗里达州埃格林空军基地的弹药部,正与设在俄亥俄州莱特-帕特森空军基地的材料与制造部及传感器部紧密合作,积极将AM技术应用于各种领域,例如,开发用于机舱有限空间的灵活及模块化武器、目标变换、共形情报监视侦察,以及柔性电子器件。AM技术应用在这些目标领域的逐步成熟,将有助于提高作战能力,不仅提升小型武器的杀伤力,并降低关键部件补充和更新所需的时间和费用。

“柔性电子器件和通用军械制造”(FLEGOMAN)计划从全盘着眼,研发AM技术,用以制造将装入典型弹药的多种部件和材料,包括金属外壳、用于电子追踪和电容器的新型导电“油墨”、能与打印兼容的改良含能材料配方,等等。直接打印电子器件的好处之一是:比用常规技术加工的电子产品能更有效地利用空间,也减少浪费。例如,把武器系统内部或外部的电子器件简化成打印模式,就能减少重量和尺寸,并腾出宝贵的内部空间。打印柔性电子产品的其它例子包括:战士头盔上的无线电天线,不仅减少佩戴重量,亦有助于佩戴者行移运动;还有嵌入服装的电子元件,既能增加防护,也可用于健康监测。

空军理工学院也运用AM技术完成了小比例侵入机的概念验证设计。这种新颖的设计包括复杂的内部蜂窝特征,而传统的减材制造技术无法实现这种特征。他们在设计过程中纳入了一种称为“拓扑优化”的方法,生成了应力分布最优化的战略构架,从而减少结构总重量。为了增加强度,他们正在进行金属成分和后加工热处理方面的完善努力。

△美军正尝试通过3D打印“轻量化”士兵装备

在FLEGOMAN计划下,有关课题组与美国陆军设在新泽西州皮卡汀尼军工厂的军备研发及工程中心协作,用AM成功制造出引爆装置。该军工厂的科研一向重视电子打印技术,现已能喷墨打印和丝网打印出弹药天线、引信元件和电池。运用AM技术,课题组尝试了一系列非传统但极有前途的选用材料,包括金属纳米颗粒。这些新型制造技术和材料有潜力超越传统制造设备的性能,同时享有AM技术带来的物流灵活性。

陆军设在阿拉巴马州亨茨维尔市的航空和导弹研发与工程中心(AMRDEC)正在研制相关的工具和程序,以推进导弹结构及部件的拓扑优化状态。拓扑优化是一个设计过程,从中产生的结构能用最少的物料来达到理想的性能,例如最大刚度、预定的自然频率,和优化的热流量。AMRDEC中心计划将合理简化这个优化/设计过程,改进轻质蜂窝结构,纳入构造方面的考虑,展现优化的导弹结构。该中心通过多个科技项目与设在宾州霍萨姆的材料科学公司、桑迪亚国家实验室,以及匹兹堡大学合作。该中心将在2017年建成一个新AM设施,专门用于开展这些科研项目,培训AMRDEC人员,推进AM技术对航空和导弹的应用。

海军也一直积极利用近来突飞猛进的AM技术。作为早期采用者,海军在过去的二十年里已经使用了几代的AM技术来加快样机研发。最近几年来,海军探索如何应用AM技术来解决陈旧部件替换问题。往往,在某系列舰船或潜艇研发期间制造的部件,原厂家早已停止生产,或者已不复存在,这种情况导致了耗资而漫长的采办,有些舰船因此而无法出航。在海军的各舰队战备中心和区域维修中心,他们正以许多方式利用AM技术,既省时省钱,又保障舰队战备。海军改善战备状态的愿望正在海上得到检验。为了利用AM技术随时直接生产零件,而不只是生产原型机件,海军研究局一直在寻求与业界合作,这种合作伙伴关系对于保证AM技术生产的部件符合材料和舰队的要求,至关重要。海军武器部门也积极寻求运用AM技术,来解决美国能量制造基础日益缩小的问题,并利用AM技术的独特性来改善装备性能并加强安全性,同时缩短在舰队安装新能量系统的时间。

AM技术不仅在陆地找到了用途,现在也进入了太空。美国国家航空航天局(NASA)马歇尔太空飞行中心(MSFC)在2014年9月向国际空间站发送了第一台3D打印机,用于测试塑料材料。第二台3D打印机在2016年4月送往国际空间站。除了真正在太空打印之外,NASA-MSFC也根据3D扫描与AM相结合的一体化制造过程进行逆向仿制,以缩短从设计到制造的开发周期时间。在NASA设在加州帕萨德纳的喷气推进实验室,创新先进概念课题组开发出一个两维传感器。该传感器本质上是一张带有印刷电子元件的透明塑料片,有人建议用它来获取太空或行星大气层的环境数据。

▲美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心在2014年9月向国际空间站发送了第一台3D打印机,用于测试塑料材料

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