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增材制造:從實驗室移向戰爭前線
時間: 2017-06-03 06:41

增材制造:從實驗室移向戰爭前線

增材制造:從實驗室移向戰爭前線

1986年,通過美國國防部預先研究計劃局(DARPA)的項目,增材制造(AM)誕生在3D系統公司的機床上。30年后的今天,它已從實驗室轉移到戰爭前線應用。

前沿部署

美國的國防設施在20世紀90年代就開始使用AM技術。目前由于技術更加可靠并且擁有更好的材料,美國國防部決定直接使用這些技術,所有部門現在實施的計劃不僅要在系統研制中使用AM,而是在關鍵區域的前沿部署。

美國海軍計劃使用AM在三個不同層級提升機隊維修和使用。第一層是組織層,AM將用在中隊層級進行使命任務保障,即飛行器服務和零件替換;第二層級是機隊完好性中心的中間層,AM將制造發動機組件,執行預定的維修和在役修理;第三層級是機庫層級,AM將輔助預定的維修、修改、在役修理、駐地小隊在役修理和制造。

海軍有9個配備AM技術的機隊完好性中心(FRC),5個在東海岸,3個在西海岸,1個在日本。FRC在幾個地方使用AM,如鈑金模具中成形塊以及拉伸和橡皮囊壓力組件,他們還在配合成形和快速原型中使用傳統AM。FRC使用熔融沉積成形(FDM)制造車間模具導引、工裝和夾具。AM軟件可以基于CAD外形和使用的CNC機床,自動地創建工裝和夾具的AM文件,現在可以一夜之間實施快速重構,以滿足新的使命任務需求。AM機床還生產復合材料零件,FRC也生產復合材料工具。

最終用途零件

使用AM最重要的應用就是最終用途零件。有兩類應用:一被描述為近期在制品,即用于快速修補或使命任務修改的零件;二是長期組件,使用金屬AM機床由鈦、鈷鉻和鋼合金制造的零件。美軍在未來規劃中著重強調這一點。國防部合同詳細規定零件要包含替換零件的AM文件,以及零件建造參數和后處理程序。

2017年1月23日,在加州北島的海軍航空站演示了這些AM能力。材料工程師演示了一個修理飛行器組件的冷噴涂工藝。這項增材、固態熱噴涂工藝可以修復組件已經因腐蝕、磨損或機械損傷而丟失的關鍵外形特征。其他增材技術如激光涂覆也正研究用于修理關鍵零件。

美國陸軍長期在其基地使用AM,并且首次在戰斗中使用了3D打印,2012年5月,在阿富汗部署了快速設備部署(REF)實驗室用于快速原型。REF實驗室已經取得成功,幾日內就能拿出快速原型方案解決難題。比如,士兵面臨一個地雷探測系統上的電池壽命問題,電池可支撐6~8小時,但在炎熱的阿富汗只能工作1小時。一個士兵來到實驗室6個小時,工程師就創造了一個適配器,連接電池并允許其由任何軍用標準電池充電,將電池壽命增加至48小時。

不過,AM技術在原型交付中的最初使用仍是其最佳作用之一,不僅試驗新設計,而是通過同時嘗試多種解決方案以利用工程師和士兵的全部智商。

按需應用

陸軍裝備研發與工程中心(ARDEC)和埃奇伍德生化中心(ECBC)正進行重要的AM工作。快速技術和檢測部門表示:“20多年來ECBD在外形、配合和功能原型上通過快速產品開發的所有階段探索AM的好處。隨著AM的持續成熟以及對該技術性能的不斷信任,國防部正實驗在戰場上按需應用AM。這個實施AM的范式轉移有減少供應鏈負擔并維持完好性水平的潛力。”

在ECBC,研究人員在實驗室中與許多高端AM機床一同工作,設計可打印的軍用炸彈探測器支架。陸軍ECBC生產了上千款可用來減輕士兵負擔的支架。“事實上,一周之內,我們可以設計許多并將它們打印出來交付到士兵手中,讓陸軍選擇最好的。”

安妮斯頓陸軍倉庫使用定向能沉積AM,稱作激光近凈成形(LENS),以修理M1A1坦克的補償懸臂。由于只有受損表面使用一個耐磨材料修理,對原始零件熱效應最小,成本大大節省。懸臂的替換成本是2000美元,修理成本是750美元,一個臂就節省1250美元。陸軍的AM工作由陸軍有機工業基礎戰略計劃(AOIBSP)指導,它嘗試提供一個高度響應和成本高效的復雜組織體。當前,AOIBSP只覆蓋了陸軍5個主要的維修倉庫和3個制造兵工廠。

空軍近些年在大部分AM開發中處于領先,空軍及其承包商報道過許多噴氣飛機組件的增材制造事件。但是空軍還有其他重要的AM計劃,如定制化制造復雜幾何外形特征的小批量零件,幫助維持大齡飛行器機隊,定制工具、發動機組件和輕量化零件可以實現更好的維修和飛行器長壽。空軍最近報道稱AM可以解決多種挑戰,計劃在后勤群體中實施這些工藝。空軍認識到機隊逐漸老化,30年前建造的飛機其替換零件不存在,快速生產少量難找到的零件極為有價值且成本效率高,3D成像和相關軟件已經成熟,零件可以被掃描、翻譯為精確的CAD模型然后3D打印出來。

士兵食物

陸軍一個有意思的開發是3D打印食物以滿足陸軍需要,主要好處是降低成本,因為食物可按需生產,消除浪費和后勤成本。它將給士兵更多菜單選擇。營養是首要目標之一。作戰士兵的物理和精神壓力極高,維持一個士兵的身體和精神狀態在最佳狀態對于使命任務和安全至關重要。

美軍還與AM行業合作。軍事人員參加AM會議,為驅動這些技術發展提供輸入。他們主持活動并提供研究資金以讓這些技術更加實際和可依賴。尤其是在研究增材制造新的金屬合金上。原因是軍方認為增材制造對于未來戰場的許多難題都是一個重大解決方案。此外,軍方還在關注4D打印和原位電路與傳感器。有一些新技術,包括零件內嵌入式電路,在不遠的將來,飛行器機翼將擁有原位傳感器,防彈衣將內建通信、環境反饋和生物探測系統。

美軍在使用尖端技術上一直比對手有優勢。近年來,軍方不僅積極使用增材制造,并且為可靠和實際使用而開發這些技術。成果是提升的軍隊完好性狀態,系統可以更快速地制造、修理和維修。未來,需求將是更少的零件儲備、更少的倉儲支出。增材制造將向前沿區域提供能力以針對自身開發解決方案,維持人員和物料資產。不過一個非常重要的作用是軍隊將更加精益,他們可以“以更少來做更多”。

  
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