3D打印技術(shù)加速步入海軍軍事應(yīng)用

  近年來，3D打印技術(shù)取得了快速的發(fā)展，目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于零部的生產(chǎn)制造，尤其是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件。在艦船領(lǐng)域，3D打印技術(shù)正逐漸應(yīng)用在艦船設(shè)計(jì)階段打印船體和船模、航行階段制作小批量配套部件和備件，以及制造艦載無人機(jī)等，且在海軍方面的應(yīng)用潛力不斷提升，已經(jīng)成為國(guó)外海軍的研究熱點(diǎn)，正加速步入海軍的軍事應(yīng)用。

  一、制造船體船模

  3D打印技術(shù)可以用作快速原型技術(shù)，快速制作模型進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證和改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)，加快艦船領(lǐng)域新產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短新型裝備的研發(fā)周期。2017年7月，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與海軍顛覆性技術(shù)實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)出美軍首個(gè)采用3D打印技術(shù)制造的潛艇艇體，也是美國(guó)海軍最大的3D打印物體。該潛艇艇體結(jié)構(gòu)由一種碳纖維復(fù)合材料制成，艇體長(zhǎng)約9.14米，采用大面積3D打印技術(shù)制造而成。從概念到組裝，整個(gè)過程耗時(shí)不到4周，這對(duì)于未來潛艇的制造具有重要意義，不但大幅縮短了制造時(shí)間，且能夠艇體。美國(guó)海軍計(jì)劃2019年打造第二個(gè)3D打印船體，并將進(jìn)行水下測(cè)試。

  2017年9月，英國(guó)科學(xué)家向皇家海軍提交了關(guān)于未來新概念潛艇“鸚鵡螺”100號(hào)的設(shè)計(jì)方案。該方案中，潛艇的表層材質(zhì)為丙烯酸與合金混合的材料，采用3D打印技術(shù)制造出主船體，其表面可動(dòng)態(tài)改變形狀，最大潛深為1000米，艇內(nèi)可容納20人。

  美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心利用光固化3D打印技術(shù)制作USNS醫(yī)院船（T-AH120）船體模型，通過對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)風(fēng)洞測(cè)試，檢測(cè)船體上層結(jié)構(gòu)對(duì)氣流場(chǎng)影響，以判定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否適合飛機(jī)起降。相比傳統(tǒng)模型制造工藝，模型制造時(shí)間從50天縮短到25天，降低了成本，提高了尺寸精度。

  二、制造零部件和工具

  3D打印技術(shù)可以滿足復(fù)雜零部件快速制造成形的需要。為降低“弗吉尼亞”級(jí)潛艇及“哥倫比亞”級(jí)潛艇建造成本，2015年10月，美國(guó)海軍金屬加工中心牽頭研究用3D打印技術(shù)制造HY系列鋼復(fù)雜零部件鑄造所需的砂型及型芯，將現(xiàn)有復(fù)雜零部件的焊接組裝工藝改為一體化鑄造。初步預(yù)計(jì)，能為每艘“弗吉尼亞”級(jí)潛艇節(jié)省27.1萬美元成本，為每艘“哥倫比亞”級(jí)潛艇節(jié)省110萬美元成本，5年內(nèi)，將為兩個(gè)平臺(tái)共節(jié)省410萬美元成本。此外，該項(xiàng)技術(shù)還可用于其他武器系統(tǒng)。

  2016年3月，洛克希德·馬丁公司宣布，美國(guó)海軍首個(gè)3D打印*零件（一個(gè)2.5厘米長(zhǎng)的鋁制連接器底殼），已經(jīng)用于“三叉戟”ⅡD-5*，起保護(hù)線纜連接器的作用。相比傳統(tǒng)加工方法，新型的鋁合金連接器底殼零件設(shè)計(jì)及打印時(shí)間減半。

  2016年8月，美國(guó)海軍完成了對(duì)“魚鷹”運(yùn)輸機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行測(cè)試。該鈦合金部件為MV-22B“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿及接頭組件，采用3D打印技術(shù)制造而成，未來美國(guó)海軍計(jì)劃利用3D打印技術(shù)更換任意一架MV-22的相關(guān)部件，這將對(duì)飛機(jī)維修以及作戰(zhàn)部署產(chǎn)生重要影響。

  2017年5月，美國(guó)諾?？撕＼娫齑瑥S設(shè)計(jì)出一種采用3D打印技術(shù)制造的、可用于各種艦艇部件的拉桿螺栓抗旋轉(zhuǎn)工具。該拉桿螺栓抗旋轉(zhuǎn)工具使用耐用的聚碳酸酯材料，打印成本約30美元，每次打印可以同時(shí)生成8個(gè)工具。艦船和潛艇上經(jīng)常使用拉桿螺栓固定框架與結(jié)構(gòu)部件，使用結(jié)果表明，該拉桿螺栓抗旋轉(zhuǎn)工具非常有效，不僅節(jié)約成本，還提高了工作質(zhì)量。

  2017年8月，美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)宣布，將使用名為X-FAB的可移動(dòng)3D打印設(shè)備用于制造備件，并將其補(bǔ)充到海外部隊(duì)的移動(dòng)機(jī)械工廠，用于海外維護(hù)和修復(fù)軍用零配件。3D打印機(jī)X-FAB是獨(dú)立可運(yùn)輸?shù)娜S制造設(shè)備，裝配完成后質(zhì)量約為4763千克，可利用平板卡車進(jìn)行運(yùn)輸。由于在復(fù)雜環(huán)境中，船只無法輕易靠岸，因此，該3D打印機(jī)制備的軍用零部件可幫助海軍陸戰(zhàn)隊(duì)減少部隊(duì)的總負(fù)荷和物流環(huán)節(jié)，快速修復(fù)損壞的裝備和設(shè)備，提供更優(yōu)解決方案。

  三、按需制造艦載無人機(jī)

  由于艦載無人機(jī)具有高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域突防能力、通信導(dǎo)航支援和攻擊等能力，可極大地提高海軍艦隊(duì)的情報(bào)監(jiān)視偵察、掃描定位和打擊能力，因此，艦載無人機(jī)的發(fā)展越來越受到各國(guó)海軍的高度重視，并積極將3D打印技術(shù)應(yīng)用于艦載無人機(jī)的制造。

  微型3D打印無人機(jī)———SULSA。SULSA無人機(jī)能夠向英國(guó)皇家海軍“保護(hù)者”號(hào)上的工程師提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為艦船導(dǎo)航，表明該無人機(jī)可以作為遠(yuǎn)程偵察工具，執(zhí)行持久監(jiān)視偵察目標(biāo)的任務(wù)。2017年4月，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室首次展示了近距離隱蔽自主一次性飛機(jī)（CICADA）。作為一種監(jiān)視無人機(jī)，其由較大飛機(jī)攜帶，然后以類似昆蟲群體的方式進(jìn)行釋放。每個(gè)監(jiān)視無人機(jī)上都攜帶一個(gè)小的傳感器有效載荷，并擁有定制的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。該無人機(jī)機(jī)身采用３Ｄ打印制作，加快了生產(chǎn)時(shí)間，減少了所需的組裝量。未來該無人機(jī)將完全由機(jī)器人完成制作和組裝，以實(shí)現(xiàn)低成本和高效地部署。目前，每個(gè)CICADA成本約為250美元。

  2017年9月，美國(guó)第七海軍陸戰(zhàn)隊(duì)已部署首批25架3D打印的小型四旋翼無人機(jī)———Nibbler，且已有48名士兵接受了編程、3D打印機(jī)使用、無人機(jī)裝配等技能培訓(xùn)。Nibbler是海軍陸戰(zhàn)隊(duì)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的小型四旋翼無人機(jī)，續(xù)航時(shí)間20~25分鐘，可攜帶攝像機(jī)等有效載荷，也可根據(jù)任務(wù)需求裝備其他組件，單架成本約2000美元。在2016年版《海軍陸戰(zhàn)隊(duì)作戰(zhàn)概念》中，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)希望所有作戰(zhàn)小組擁有一架可執(zhí)行監(jiān)視或其他任務(wù)的小型無人機(jī)，而將3D打印技術(shù)提高到戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用水平是海軍陸戰(zhàn)隊(duì)“推進(jìn)作戰(zhàn)力量建設(shè)”任務(wù)的一部分。

  四、啟示

  （一）3D打印技術(shù)將成為海軍裝備維修保障的重要輔助手段艦船在遠(yuǎn)洋航行期間，會(huì)由于備件配備不足等原因，導(dǎo)致受損零件難以在短期內(nèi)獲得快速便捷的更換維修，從而影響艦船安全航行和有效執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。由于3D打印設(shè)備的便捷性及材料的可攜行性，運(yùn)用3D打印技術(shù)可快速打印出的相應(yīng)備件，一方面可以解決受損的艦船設(shè)備故障，另一方面3D打印技術(shù)在艦船上應(yīng)用，也可以進(jìn)一步減少艦船備件的種類和數(shù)量。未來的戰(zhàn)爭(zhēng)形勢(shì)對(duì)裝備維修保障能力提出了更高的要求，3D打印技術(shù)可大幅提升快速維修能力，將成為海軍裝備維修保障的重要輔助手段。

  （二）3D打印無人機(jī)將大幅提升艦船作戰(zhàn)能力

  當(dāng)前，多國(guó)海軍將3D打印機(jī)部署在艦船上，并積極推進(jìn)3D打印無人機(jī)技術(shù)發(fā)展。未來艦船只需攜帶少量無人機(jī)通用的電子元器件離開港口，無人機(jī)的主體可完全定制，可由艦上人員設(shè)計(jì)打印，也可由陸上的研究機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，傳送到這些艦艇的3D打印機(jī)上進(jìn)行快速制造。依托“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”的特性，3D打印擺脫了模具和工具的束縛，可快速批量生產(chǎn)無人機(jī)，而無人機(jī)可以根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，以執(zhí)行監(jiān)視、偵察、攻擊等任務(wù)，被摧毀后即可快速補(bǔ)充，未來對(duì)提升海軍艦船的作戰(zhàn)能力具有重大意義。

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