3D打印技術(shù)在世界各國(guó)國(guó)防領(lǐng)域中應(yīng)用的案例

一直以來(lái)，增材制造技術(shù)憑借強(qiáng)大的功能被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括海洋、航空航天和汽車。當(dāng)然，它也越來(lái)越多地被全球各地的國(guó)防部門采用。事實(shí)上，預(yù)計(jì)到2027年，軍用3D打印行業(yè)的價(jià)值將達(dá)到17億美元。

考慮到軍用產(chǎn)品對(duì)更快的速度、更輕的重量和更低的成本的需求，選擇增材制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能無(wú)疑是最為合適的。

南極熊本期文章列舉了一些3D打印技術(shù)在世界各國(guó)國(guó)防領(lǐng)域中應(yīng)用的案例，從這些實(shí)際案例當(dāng)中我們也可以進(jìn)一步看出該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)防上的重要性。

【1】9米長(zhǎng)的金屬3D打印機(jī)

美國(guó)軍方對(duì)增材制造的好處深信不疑，在2021年他們已經(jīng)宣布將建造世界上最大的金屬3D打印機(jī)。

美國(guó)DEVCOM陸軍地面車輛系統(tǒng)中心正在ASTRO America、Ingersoll Machine Tool、西門子和位于Rock Island Arsenal的MELD Manufacturing聯(lián)合制造和技術(shù)中心的幫助下制造這款巨型打印機(jī)。

這臺(tái)打印機(jī)將成為無(wú)接縫車體項(xiàng)目的一部分，最終任務(wù)是為戰(zhàn)車打印一體式車體。據(jù)悉，項(xiàng)目預(yù)計(jì)需要大約14個(gè)月的時(shí)間，最終打印機(jī)將能夠打印30英尺長(zhǎng)、20英尺寬、12英尺高（約9米×6米×3.6米）的金屬部件。雖然我們最近沒(méi)有這方面的消息，但該項(xiàng)目很可能會(huì)在不久的將來(lái)完成。

【2】3D打印跑道

軍事和國(guó)防領(lǐng)域的另一個(gè)應(yīng)用來(lái)自ITAMCO（印第安納技術(shù)和制造公司），這家公司使用增材制造為軍事遠(yuǎn)征機(jī)場(chǎng)開(kāi)發(fā)了一條跑道。這些跑道墊是遠(yuǎn)征機(jī)場(chǎng) (EAF) 的重要組成部分。

它們的功能是在較弱的地面上實(shí)施，以允許軍用飛機(jī)著陸和起飛。在此之前，使用的是由鋁板制成的便攜式跑道，但隨著它變得過(guò)時(shí)，軍隊(duì)需要找到一種創(chuàng)新的解決方案。

德國(guó)公司EOS的M290 3D打印機(jī)被用于為美國(guó)空軍的軍事裝備制造更輕、更耐用的模型。

【3】ExOne 及其軍用吊艙

為了加速開(kāi)發(fā)強(qiáng)大而堅(jiān)固的3D打印工廠吊艙，ExOne在與多個(gè)合作伙伴合作后參與了這項(xiàng)任務(wù)的實(shí)施。具體來(lái)說(shuō)，它涉及一項(xiàng)價(jià)值160萬(wàn)美元的國(guó)防后勤局 (DLA) 合同。在該過(guò)程中，ExOne的Binderjet技術(shù)因其速度快、材料靈活且便于操作而被用于軍事用途，可以很好地滿足軍方的關(guān)鍵需求。

這款專為軍方設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)據(jù)說(shuō)能夠噴射粘合劑，噴射20多種金屬、陶瓷和其他粉末材料。此外，據(jù)說(shuō)獨(dú)特的外殼和其他功能使其非常適合軍用級(jí)產(chǎn)品.。

【4】美國(guó)海軍的 3D 打印工具

美國(guó)海軍也在利用增材制造，他們的海軍陸戰(zhàn)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了3D打印開(kāi)發(fā)新型車輛維護(hù)工具的能力。

海軍陸戰(zhàn)隊(duì)系統(tǒng)司令部與供應(yīng)營(yíng)和行業(yè)合作伙伴合作，通過(guò)3D打印技術(shù)生產(chǎn)用于從金屬上拆卸方向盤的增材制造夾具，這是海軍車輛維護(hù)中經(jīng)常需要解決的問(wèn)題。增材制造可以幫助減少維護(hù)和工具準(zhǔn)備時(shí)間，能夠?qū)⒋祟惲慵膶?shí)際等待時(shí)間縮減到25天左右。

【5】美國(guó)陸軍與南佛羅里達(dá)大學(xué)合作開(kāi)發(fā)輕型鎂合金

在3D打印技術(shù)的原因方面，美國(guó)陸軍除了定期與相關(guān)公司合作，也在與一些大學(xué)合作。最近，中佛羅里達(dá)大學(xué)的科學(xué)家成功地3D打印了一種鎂合金，稱為WE43。據(jù)悉，研究人員開(kāi)發(fā)這種材料并非巧合，而是出于軍方的需要。

美國(guó)士兵經(jīng)常需要被迫攜帶極其沉重的包和裝備，因此減輕他們的負(fù)重是有非常有必要的研究方向。不過(guò)，在WE43和粉末激光融合工藝的幫助下，美國(guó)陸軍和中佛羅里達(dá)大學(xué)可能已經(jīng)找到了解決方案。

【6】3D打印船的螺旋槳

近幾年來(lái)，著名的法國(guó)公司 Naval Group 一直在使用3D打印技術(shù)來(lái)滿足各種需求。2021年1月，得益于WAAM（Wire Arc Additive Manufacturing）增材制造工藝，NavalGroup已經(jīng)3D打印了螺旋槳。

該螺旋槳由五個(gè)200公斤的葉片組成，然后被安裝在仙女座號(hào)上，這是一艘探雷艦。該項(xiàng)目背后的團(tuán)隊(duì)解釋說(shuō)，通過(guò)使用3D打印技術(shù)，他們大大減少了施工時(shí)間并最大限度地減少了使用材料的數(shù)量。

【7】西班牙空軍通過(guò) 3D 打印升級(jí)其流程

增材制造能夠幫助零部件實(shí)現(xiàn)高硬度、高強(qiáng)度和其他優(yōu)異的特性。通過(guò)內(nèi)部纖維增強(qiáng)，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種工具和終端零件，能夠經(jīng)受住在部件受力非常大的情況下所要求的苛刻性能條件，而且不會(huì)有任何誤差。

在馬德里，西班牙空軍直升機(jī)車間負(fù)責(zé)人表示，如今他們正在嘗試通過(guò)增材制造來(lái)制造每個(gè)零件，并避免使用傳統(tǒng)制造。這這些部件就包括用于直升機(jī)起落架的泄漏控制測(cè)量工具或用于直升機(jī)主旋翼的定制鑰匙。

【8】通用萊迪思和它為美國(guó)陸軍設(shè)計(jì)的頭盔

3D設(shè)計(jì)軟件公司GeneralLattice和美國(guó)陸軍簽署了一項(xiàng)合同，通過(guò)3D打印和先進(jìn)的網(wǎng)格幾何形狀提高陸軍作戰(zhàn)頭盔的沖擊吸收能力。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，該公司開(kāi)發(fā)了一套預(yù)測(cè)建模工具來(lái)設(shè)計(jì)和生成頭盔材料。為了提高士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上的保護(hù)以及頭部撞擊后的生存可能性，3D打印材料將在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證發(fā)展指揮士兵中心的性能要求。

【9】作戰(zhàn)裝甲車輛中的備件

澳大利亞陸軍通過(guò)使用SPEE3D開(kāi)發(fā)的冷噴涂3D打印解決方案，來(lái)為其一輛裝甲車設(shè)計(jì)十幾個(gè)備件。這些部件已經(jīng)通過(guò)了多次野外使用測(cè)試和認(rèn)證，提高了澳大利亞陸軍的敏捷性。例如，打印的組件包括僅用29分鐘制作的車輪輪罩，總成本為100澳元。

本案例中使用的機(jī)器是WarpSPEE3D，其打印體積為1000 x 700毫米，速度為每分鐘1公斤。通過(guò)引進(jìn)增材制造技術(shù)，軍隊(duì)能夠減少裝甲車輛的停機(jī)時(shí)間，從而更好地應(yīng)對(duì)緊急情況。

【10】美國(guó)海軍和增材制造

多年來(lái)，美國(guó)海軍一直在進(jìn)行多個(gè)增材制造項(xiàng)目。目標(biāo)是提高在大洋中執(zhí)行任務(wù)的團(tuán)隊(duì)的敏捷性和效率，尤其是在制造備件方面。這就是海軍研究生院 (NPS) 投資施樂(lè)ElemX金屬機(jī)器的原因，他們用這款設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)潛艇和船只的備件以及工具，這允許施樂(lè)公司能夠擁有更短的供應(yīng)鏈并制造定制組件。

NPS并不是唯一一家在海事領(lǐng)域推出3D打印項(xiàng)目的公司。事實(shí)上，MatterHackers公司已與美國(guó)海軍簽署了一份為期5年的合同，以提供其所需的所有3D設(shè)備，以及培訓(xùn)課程和維護(hù)。

【11】未來(lái)能源項(xiàng)目

來(lái)自英國(guó)的未來(lái)能源項(xiàng)目在研究、爆炸物測(cè)試、新型能量學(xué)制造、爆炸建模、化學(xué)合成、熱表征和危險(xiǎn)測(cè)試等領(lǐng)域開(kāi)展工作。該項(xiàng)目的目標(biāo)是創(chuàng)造新的含能材料和診斷方法來(lái)驗(yàn)證新材料。增材制造將用于開(kāi)發(fā)新的炸藥配方，這為潛在用戶提供了許多好處，包括降低存儲(chǔ)和運(yùn)輸成本以及提高性能。

費(fèi)用可以根據(jù)要求精確定制，并以新穎復(fù)雜的設(shè)計(jì)制造，這在以前是不可想象的。制造過(guò)程使用LabRAM共振聲學(xué)混合器，它使用聲能而不是物理刀片來(lái)混合材料，使過(guò)程更安全。

【12】Astro America開(kāi)發(fā)3D打印戰(zhàn)車車體

應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)研究組織，也稱為ASTRO America，已被美國(guó)陸軍選中用于無(wú)接縫船體項(xiàng)目。該計(jì)劃由美國(guó)國(guó)防部受益的制造創(chuàng)新研究所支持，是使用3D打印開(kāi)發(fā)和交付戰(zhàn)車船體工具的努力的一部分。他們希望減少制造時(shí)間并降低生產(chǎn)成本，同時(shí)減輕車輛的重量并提高其性能和生存能力。

【13】3D打印軍營(yíng)

3D建筑公司ICON以從事涉及軍事的項(xiàng)目而聞名。為此，這家總部位于奧斯汀的公司與德克薩斯軍事部、Logan Architecture 和 Fort Structures合作創(chuàng)建了北美最大的3D打印結(jié)構(gòu)：位于德克薩斯州巴斯特羅普的斯威夫特營(yíng)地訓(xùn)練中心的訓(xùn)練營(yíng)。

使用ICON的 Vulcan建筑系統(tǒng)，這是一種平板電腦操作的機(jī)器人打印機(jī)，可以使用水泥基材料，公司和軍方的合作成功地建造了第一個(gè)3D打印的軍營(yíng)供士兵居住。最終的建筑包括一個(gè)3,800平方英尺的建筑，可容納多達(dá)72名士兵或飛行員，并為他們的下一個(gè)任務(wù)做準(zhǔn)備。

【14】3D打印潛艇船體

多年來(lái)，國(guó)防部門在許多領(lǐng)域找到了應(yīng)用3D打印的方法——在地面、空中和海上。事實(shí)上，美軍的這個(gè)最新項(xiàng)目是在探索3D打印的一個(gè)相對(duì)未知的區(qū)域：海底。在2017年月，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 與美國(guó)海軍的顛覆性技術(shù)實(shí)驗(yàn)室合作進(jìn)行這項(xiàng)新的嘗試，幫助制造了軍事史上第一個(gè)3D打印潛艇船體。

通過(guò)使用ORNL的FDM大面積增材制造 (BAAM) 技術(shù)，團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)了一個(gè)30英尺的概念船體，具有6個(gè)碳纖維復(fù)合材料部分，與使用傳統(tǒng)制造方法相比，它的生產(chǎn)速度更快、成本更低。盡管仍在測(cè)試中，但有跡象表明未來(lái)很快會(huì)有更多的3D打印潛艇潛入海洋。

【15】緬因大學(xué)為美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)開(kāi)發(fā)后勤支援船

今年3月，緬因大學(xué)（UMaine）在其位于奧羅諾的先進(jìn)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心3D打印了兩艘新的大型船只，其中一艘據(jù)說(shuō)是有史以來(lái)最大的增材制造船只。據(jù)了解，這兩艘原型船是為美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)開(kāi)發(fā)的，被設(shè)計(jì)為后勤支援船，并將進(jìn)行測(cè)試，供武裝部隊(duì)實(shí)地使用。

其中較大的一艘可以裝載兩個(gè)20英尺的運(yùn)輸集裝箱，而另一艘可以運(yùn)送整個(gè)步槍班的食物、水和其他物資，為期三天。這兩艘新船都是基于聚合物的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的多材料混合物3D打印的。根據(jù)UMaine的說(shuō)法，它能夠在短短一個(gè)月內(nèi)制造和組裝其中一艘船。如果使用傳統(tǒng)的制造方法，這一過(guò)程將會(huì)長(zhǎng)達(dá)一年。

審核編輯 ：李倩