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【动态】美海军通过增材制造3D打印技术增强海上力量

时间:2019-10-10 03:31

  美海军和制造商已开始利用增材制造技术维护和建造部分设备,以帮助美海军提高生产效率、削减成本并设计具有新功能的装备。此前,美海军在发布的《增材制造/3D打印技术愿景》文件中指出,已将增材制造技术视为突破性技术,并计划联合工业界共同推动该技术的发展。通过技术联合,美海军可快速制备相关零部件,以提高关键系统的战备程度,从而提高海军的杀伤力和战备速度,此外相关制品也可作为舰船零部件的备用来源。

  对美海军而言,增材制造技术将为其带来三大优势:(1)提高舰船持续运行能力,提高战备率。如:“斯坦尼斯”号航母利用已搭载的3D打印机,成功制备出用于替换失效部件的卫星天线)生产过时或难以采购的小批量零件;(3)制备更可靠、更坚固的零部件。同时,该技术在实际应用中也将面临以下三大挑战:(1)3D打印制品质量;(2)赢得使用方信任;(3)海军相关人员培养。

  对造船厂而言,利用增材制造技术,可为紧急事件提供快速支持和新部件定制化能力。如:亨廷顿·英格尔斯公司的纽波特纽斯船厂认为增材制造技术可改进重复性生产任务,减少连续和小批量生产零件的时间。纽波特纽斯船厂主要通过与材料供应商、设备制造商和政府的紧密联系,来解决增材制造在造船领域遇到的困难。目前,纽波特纽斯船厂采用增材制造技术制备非金属零件的研究已超过10年,技术相对较为成熟,现重点发展金属零件的制备,其首个金属排水过滤孔部件,已于2018年10月获得美海军海上系统司令部批准,在“杜鲁门”号航母上舰使用。

  美军各军种以及大部分供应基地和军械库,都在进行独立的增材制造技术研发及应用。目前,美国空军和美国海军都已经制定了增材制造技术战略实施计划,陆军也正在进行相应技术实施规划草案的制定工作。美国海军部在增材制造技术开发及应用方面具有完善的组织结构。海军增材制造执行委员会由海军副协助秘书组成,负责研究、开发、测试和评估。2017年5月,该委员会联合海军多个部门研究并发布了《海军增材制造实施计划(2.0版)》,确定了以下五个目标:(1)增加增材制造系统的开发和集成;(2)培养对增材制造零件进行认证的能力;(3)增材制造框架和工具进行数字标准化,实现端到端流程集成;(4)建立美海军先进的集成数字化制造网格;(5)对海军员工的增材制造教育、培训和认证的流程化。除了这些广泛的目标之外,该计划提出了具体的工作目标,规划了各年度(2016~2021)里程碑节点。

  现阶段,增材制造技术应用于海军的最大挑战和机遇在于制定生产和检测标准。通过标准的建立,有望吸引更多的技术投资,并提高技术能力。为此,2018年6月美国国家增材制造创新研究所(America Makes)和美国国家标准协会(ANSI)联合发布《增材制造标准化路线版)》。该路线图是America Makes和ANSI增材制造标准化协作组织(AMSC)的工作成果,该组织专门负责协调和促进全行业范围内增材制造的标准与规范的制定。来自175个公共和私营组织的约320人为这个文件的制定做出了贡献,美国国防部为这项计划提供了主要资金。

  新的路线图概述了当前增材制造的标准化情况,并确定了93个“问题”——其中有18个为高优先级问题——即目前还没有已发布的标准或规范来满足本行业需求的。对于其中的65个问题还额外确定了标准化前期的研发需求。此版本针对前一版本中发现的问题提供了最新进展情况,进行了大幅修订,填补了许多空白。该文件还描述了许多新的问题,其中很多涉及到聚合物。该文件将增材制造的生命周期纳入考虑范围,从最初设计到材料和工艺的选择,再到生产、后处理、成品性能、测试、鉴定和维护。

  此外,欧洲也加强了对增材制造技术的关注。欧洲防务局近年来开展了一系列增材制造研究项目。如:CapTech材料公司正利用3D打印技术研发新型拉胀材料,以增加国防各领域相关设备的装甲防护强度。同时,挪威国防研究机构(FFI)也已开展海上应用研究。FFI参加挪威“Flotex”海上演习时,通过搭载熔融沉积成型3D打印机,探索海军作战需求和海上环境如何影响打印过程,并提高实际操作能力。未来,随着北极战略竞争态势的加剧,增材制造技术的现场制备和缩短供应链能力将显得愈发重要。

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