投資將達(dá)22億美元：美國(guó)軍方近年來關(guān)注的十類3D打印技術(shù)
由于多種原因，3D打印的航空航天和軍事用途長(zhǎng)期以來一直是該行業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。當(dāng)前，增材制造技術(shù)在美國(guó)等軍工綜合體的各個(gè)領(lǐng)域得到了更廣泛的部署，這在很大程度上是因?yàn)榇饲靶鹿谝咔楹彤?dāng)下地區(qū)沖突使制造業(yè)成為關(guān)乎國(guó)家安全的問題，3D打印在確保軍事所需關(guān)鍵零部件和保障供應(yīng)鏈方面的潛力有目共睹。
因此，3D打印正被用作整個(gè)美國(guó)軍事裝備的供應(yīng)鏈保障技術(shù)。與此同時(shí)，增材制造所帶來的尖端能力正被用來以多種方式推動(dòng)軍事制造，包括在前線部署臨時(shí)生產(chǎn)的能力。
Additive Manufacturing Research于近期發(fā)布的一份報(bào)告顯示，美國(guó)國(guó)防2020年增材制造的總投資為1.422億美元。到2027年，增材制造的總投資將大幅增長(zhǎng)，突破10億美元大關(guān)，達(dá)到11.57億美元。這一趨勢(shì)還將持續(xù)上升，預(yù)計(jì)到2032年投資將達(dá)到22.33億美元。
多年來，美國(guó)著眼于持續(xù)增強(qiáng)制造業(yè)創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)力，通過頂層設(shè)計(jì)、戰(zhàn)略規(guī)劃來引領(lǐng)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展；組建國(guó)家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，發(fā)布《國(guó)防部增材制造路線圖》《增材制造標(biāo)準(zhǔn)化路線圖》《國(guó)防部增材制造戰(zhàn)略》等，啟動(dòng)增材制造推進(jìn)計(jì)劃“AM Forward”，協(xié)調(diào)推動(dòng)增材制造在國(guó)防裝備、先進(jìn)制造業(yè)中的示范應(yīng)用并形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
3D打印技術(shù)參考注意到，美國(guó)軍方至今已經(jīng)對(duì)多種3D打印工藝進(jìn)行了資助。本文內(nèi)容，主要對(duì)這些被資助和采用的工藝種類進(jìn)行總結(jié)。
1. 電弧增材制造技術(shù)
今年2月，澳大利亞大型3D打印機(jī)制造商AML3D宣布獲得一家重要客戶的“X-Edition 6700”電弧增材制造（WAAM）金屬3D打印系統(tǒng)訂單，作為其進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)戰(zhàn)略的一部分。此次銷售旨在支持美國(guó)海軍實(shí)施WAAM技術(shù)，該技術(shù)在有效增加美國(guó)海軍潛艇工業(yè)基地部件供應(yīng)方面將發(fā)揮關(guān)鍵作用。購(gòu)買人BlueForge聯(lián)盟是美國(guó)國(guó)防部的中介機(jī)構(gòu)，旨在加速美國(guó)國(guó)防工業(yè)基地內(nèi)的先進(jìn)制造技術(shù)。3D打印技術(shù)參考注意到， 今年7月，這家公司購(gòu)買了AML3D的第二臺(tái)同型號(hào)設(shè)備。
AML3D采用基于線材的電弧增材制造工藝，通過將金屬線材連接到工業(yè)機(jī)械臂的焊接系統(tǒng)中進(jìn)行3D打印，并專門為國(guó)防、海事、汽車等領(lǐng)域的客戶提供商業(yè)大型“金屬增材”制造服務(wù)。
AML3D基于電弧的大型金屬3D打印機(jī)
電弧增材制造技術(shù)采用逐層堆焊的方式制造致密金屬實(shí)體構(gòu)件，因以電弧為載能束，熱輸入高，成形速度快，適用于大尺寸復(fù)雜構(gòu)件低成本、高效快速近凈成形。面對(duì)特殊金屬結(jié)構(gòu)制造成本及可靠性要求，其結(jié)構(gòu)件逐漸向大型化、整體化、智能化發(fā)展，因而該技術(shù)在大尺寸結(jié)構(gòu)件成形上具有其他增材技術(shù)不可比擬的效率與成本優(yōu)勢(shì)。與以激光為熱源的增材制造技術(shù)相比，電弧對(duì)金屬材質(zhì)不敏感，可成形材料豐富，如對(duì)激光反射率高的鋁合金、銅合金等。
AML3D已經(jīng)展示了其為海事部門生產(chǎn)零件的技術(shù)能力，并獲得了世界最大船級(jí)社DNV的批準(zhǔn)。2020年，該公司向日本客戶交付了一件3D打印的螺旋槳，同時(shí)還在為海事領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者蒂森克虜伯以及威廉森3D打印葉輪?；诖?，AML3D已經(jīng)開始在海事制造領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟。
2. 升級(jí)版金屬沉積技術(shù)
2023年7月，Meltio公司宣布獲得美國(guó)國(guó)防部的技術(shù)認(rèn)可。Meltio采用了獨(dú)創(chuàng)的3E金屬沉積技術(shù)，這是一種LMD金屬沉積技術(shù)的升級(jí)版本，能夠自動(dòng)同時(shí)使用金屬絲、金屬粉末或同時(shí)使用這兩種金屬而無需更換噴嘴，該技術(shù)可成型常用的材料，如鈦、鋼、銅、鋁、鉻鎳鐵合金等。
用金屬絲、粉末或通過將兩種材料組合在同一零件中而無需更換噴嘴來制造零件，硬件的購(gòu)置成本比當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格低約50％至75％，并可以使用市場(chǎng)上任何可購(gòu)買到的金屬絲和粉末材料，成本降低多達(dá)10倍。從實(shí)驗(yàn)室研究到零件更換，Meltio可以打印從小零件到幾米的大型零件，這使得該技術(shù)適應(yīng)于軍工、航空航天，汽車和大規(guī)模制造等各個(gè)行業(yè)。
該公司已經(jīng)在全球安裝了約110臺(tái)機(jī)器，為其客戶提供價(jià)格合理且易于使用的混合制造能力，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)原型和模具制作，小批量、大規(guī)模制造以及維護(hù)和維修等應(yīng)用。2022年11月，來自Meltio3D的定向能量沉積增材制造裝備，被永久安裝在美海軍黃蜂級(jí)艦艇中的第五艘USS Bataan多用途兩棲攻擊艦上。
3. 液態(tài)金屬3D打印技術(shù)
2022年7月，施樂液態(tài)金屬3D打印機(jī)被安裝在美軍黃蜂級(jí)兩棲攻擊艦第2號(hào)艦上——這是美國(guó)海軍艦艇上部署的第一臺(tái)金屬增材制造裝備。施樂液態(tài)金屬3D打印解決方案通過將鋁合金焊絲熔化，借助磁場(chǎng)精確的將液滴沉積在構(gòu)建平臺(tái)上并凝固，實(shí)現(xiàn)零件的疊層制造。其推出的3D打印機(jī)構(gòu)建尺寸為300x300x300mm，最小層厚為0.24mm，鋁合金零件的致密度超過99%。這是一種基于熔融金屬磁流體動(dòng)力噴射的打印方法，通過利用磁場(chǎng)感應(yīng)的壓力梯度噴射液態(tài)金屬液滴。
向美國(guó)海軍艦船安裝3D打印機(jī)
液態(tài)金屬打印中的溫度梯度和冷卻速率并不像基于激光和電子束的3D打印工藝中那樣極端。除此之外，液態(tài)金屬增材制造技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)鋁合金焊絲，與其他金屬3D打印技術(shù)不同相比不需要金屬粉末，也不需要特殊的設(shè)施改造或個(gè)人防護(hù)設(shè)備來操作機(jī)器。該工藝需要的后處理也較少，因此提供了更快的部件制造效率時(shí)間。這種按需生產(chǎn)可靠替換零件的能力減少了部署部隊(duì)對(duì)復(fù)雜的全球供應(yīng)鏈的依賴。
4. 桌面型碳纖維3D打印技術(shù)
碳纖維復(fù)合材料因具有優(yōu)異的質(zhì)量強(qiáng)度比而備受關(guān)注，采用3D打印技術(shù)將纖維增強(qiáng)材料通過連續(xù)或短切的形式與傳統(tǒng)高分子塑料復(fù)合，可顯著提高零件的強(qiáng)度、耐熱性及抗沖擊性。在航空航天、汽車和制造行業(yè)，3D打印的碳纖維部件正在迅速取代模壓碳纖維和金屬部件高性能原型和最終用途零件。
2023年3月，Markforged X7 Field Edition被安裝在在新罕布什爾號(hào)弗吉尼亞級(jí)潛艇上。此外，亨廷頓英格爾斯工業(yè)公司（HII）最近被批準(zhǔn)用于海軍海上系統(tǒng)（NAVSEA）船舶的3D打印零件。
Markforged X7 Field Edition
X7是該公司的工業(yè)級(jí)3D打印平臺(tái)，采用連續(xù)碳纖維和凱夫拉增強(qiáng)材料。X7配備了強(qiáng)化的雙噴嘴系統(tǒng)和一個(gè)微米級(jí)的激光檢測(cè)系統(tǒng)，可以掃描打印中的零件來保障尺寸精度，具有330x270x200mm的構(gòu)建體積和50μm的層厚設(shè)置。Markforged甚至推出了適用于X7的機(jī)器學(xué)習(xí)軟件，其使用人工智能來幫助3D打印系統(tǒng)適應(yīng)和調(diào)整變量，以期可以在第一時(shí)間生產(chǎn)出高精度的零件。
5. 大尺寸連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)
2021年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）與領(lǐng)先的3D打印供應(yīng)商Continuous Composites公司合作，共同研究連續(xù)復(fù)合材料3D打印能否成功用于無人機(jī)機(jī)翼直接制造。
Continuous Composites公司能夠?qū)⑦B續(xù)纖維增強(qiáng)材料與熱固性樹脂技術(shù)相結(jié)合，安裝在機(jī)械臂末端的執(zhí)行器用于將纖維材料與快速固化的聚合物樹脂一同沉積。加入了纖維的樹脂在紫外線下幾乎立即固化，產(chǎn)生具有可定制強(qiáng)度特性的各向異性部件。該技術(shù)可處理多種纖維類型，包括碳纖維、玻璃纖維、光學(xué)纖維和金屬纖維。
美空軍展示低成本高效無人機(jī)XQ-58A Valkyrie
3D打印可以非常精確地定位和定向連續(xù)纖維。因此，可以將纖維放置在產(chǎn)品內(nèi)部的選定方向和位置，使其沿著指定載荷路徑提供所需強(qiáng)度和剛度，形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成部分。這意味著纖維被安置在需要其發(fā)揮作用的任何位置，多條纖維甚至可以在整個(gè)零部件中形成一系列傳感器。與此同時(shí)，由于3D打印不再需要工具或模具，因此它提供了一步制造方法來生產(chǎn)任何形狀的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，從而取代了更復(fù)雜、耗時(shí)且昂貴的傳統(tǒng)多步制造技術(shù)。
雙方的合作，旨在評(píng)估和完善連續(xù)復(fù)合材料先進(jìn)航空結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，滿足美國(guó)國(guó)防部具有挑戰(zhàn)性的制造需求。
6. 粉末床激光熔融技術(shù)
粉末床激光熔融（L-PBF）工藝是當(dāng)前應(yīng)用最多的金屬3D打印技術(shù)，無論航空航天還是軍事，都備受關(guān)注。2022年9月，美國(guó)空軍間接資助SLM Solutions開發(fā)“世界最大”PBF金屬3D打印機(jī)，并授予藍(lán)色激光專家NUBURU第二階段合同，開發(fā)基于藍(lán)色激光的區(qū)域金屬3D打印技術(shù)。
?目前，制造尺寸的增加是金屬3D打印技術(shù)發(fā)展的重要發(fā)展方向，如今的L-PBF技術(shù)3D打印機(jī)的制造尺寸已經(jīng)突破了米級(jí)。為滿足美國(guó)國(guó)防部的要求，SLM Solutions在其NXG XII 600的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，使制造尺寸達(dá)到600 x 600 x 1500mm，并配備12臺(tái)激光器，號(hào)稱具有“閃電般的速度和生產(chǎn)力”。而在去年11月，3D打印技術(shù)參考注意到，SLM Solutions宣布將推出可制造 3 x 1.2 x 1.2 米的超大尺寸粉末床激光熔融金屬3D打印機(jī)，這可能是這項(xiàng)技術(shù)誕生以來所研發(fā)出的最大機(jī)器。
效率是這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展另一個(gè)備受關(guān)注的要點(diǎn)，區(qū)域金屬3D打印就是解決該問題的突破性進(jìn)展。美國(guó)空軍顯然注意到了藍(lán)色激光與區(qū)域打印結(jié)合帶來的可能性突破，故而及早布局新技術(shù)的開發(fā)。
7. 粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)
2020年，從事粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)開發(fā)的ExOne公司獲得美國(guó)國(guó)防部的一份合同，以開發(fā)一個(gè)完全可操作的3D打印移動(dòng)“工廠”。該工廠將被安置于約12米長(zhǎng)的運(yùn)輸集裝箱中，可通過陸、海、空直接部署在野外，支持戰(zhàn)區(qū)、災(zāi)難救濟(jì)或其他遠(yuǎn)程零件制造任務(wù)。
脫脂燒結(jié)爐也將集成于移動(dòng)方艙內(nèi)部
當(dāng)時(shí)的ExOne首席執(zhí)行官介紹，由于速度、材料的靈活性和易用性，粘結(jié)劑噴射3D打印是軍事用途的關(guān)鍵制造技術(shù)。ExOne的3D打印機(jī)支持20多種金屬、陶瓷或復(fù)合材料零件生產(chǎn)，能夠直接制造最終產(chǎn)品或工具。在任務(wù)執(zhí)行過程中，后勤人員不必再攜帶各類具體的零件備件，只需要攜帶相關(guān)的3D打印材料和零件的數(shù)字文件。如果一些較舊的零件缺乏數(shù)字文件，工作人員也可以在現(xiàn)場(chǎng)輕松地進(jìn)行3D掃描或數(shù)字化設(shè)計(jì)，并根據(jù)需要進(jìn)行3D打印。至于材料，在戰(zhàn)時(shí)任務(wù)中，只需要一定強(qiáng)度的替代品，而無需尋求具體零件的原始制造材料。ExOne開發(fā)的特殊的軍用3D打印機(jī)，將具有獨(dú)特的機(jī)身樣式和其他功能，使其成為強(qiáng)大的軍事級(jí)產(chǎn)品。
8. 攪拌摩擦增材制造
攪拌摩擦增材制造是基于攪拌摩擦焊的原理發(fā)展而來，該工藝不需要高能熱源也不需要?dú)怏w保護(hù)，可以使用板材、旋轉(zhuǎn)棒料和粉末規(guī)格的材料，利用攪拌針與連接件的攪拌摩擦產(chǎn)生熱量軟化連接處的材料，再通過軸向的壓力使得材料連接在一起。此外，由于成形過程中不存在金屬的熔化/凝固過程，材料在成形過程中不會(huì)產(chǎn)生與熔化相關(guān)的熱裂紋、氣孔等冶金缺陷。而正是由于成形溫度低且成形發(fā)生在材料內(nèi)部也不會(huì)受外界影響造成材料氧化等問題，生產(chǎn)過程可以在露天環(huán)境中進(jìn)行，所制造的部件的尺寸顯著增加。
該工藝適合制造鋁合金大型構(gòu)件，且具有很高的沉積速率。美國(guó)Meld Manufacturing公司已經(jīng)使用該工藝在大型卡車和國(guó)防裝甲車輛的維修中獲得應(yīng)用。
9. 建筑3D打印技術(shù)
2019年底，不到36小時(shí)，美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)成員使用快干混凝土3D打印了一個(gè)足夠大的掩體，可以隱藏車載多管火箭發(fā)射器系統(tǒng)。美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)也不甘示弱，開發(fā)了一款可部署的3D打印機(jī)，可以快速創(chuàng)建抗彈片混凝土結(jié)構(gòu)，如建筑物、小橋、掩體和門樓。
建筑3D打印技術(shù)是一種創(chuàng)新型房屋智能建造技術(shù)，集成計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)械零件設(shè)計(jì)制作、裝配工藝、自動(dòng)化控制、精密數(shù)控、混凝土材料、流體力學(xué)等多學(xué)科交叉技術(shù)。這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于具有高效率、免模板、省人力、節(jié)省材料、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
10. 冷噴涂3D打印技術(shù)
冷噴涂增材制造技術(shù)是一種基于高速粒子固態(tài)沉積的涂層制備方法。噴涂粒子在固態(tài)下碰撞基體，經(jīng)過劇烈的塑性變形而沉積形成涂層，同時(shí)對(duì)基體不形成熱影響，可作為近凈成形技術(shù)直接噴涂制備塊材和零部件。
2022年，澳大利亞金屬3D打印機(jī)制造商SPEE3D被美國(guó)海軍選中提供其“MAINTENEX”維護(hù)技術(shù)參與演習(xí)。作為該計(jì)劃的一部分，SPEE3D的系統(tǒng)將在美國(guó)海軍2022年ANTX海岸三叉戟技術(shù)演示期間部署在港口和海上。通過研發(fā)計(jì)劃，美國(guó)武裝部隊(duì)部門旨在評(píng)估該金屬3D打印技術(shù)的潛力，將其作為進(jìn)行艦艇戰(zhàn)斗損傷維修的一種手段，并減少對(duì)面臨中斷風(fēng)險(xiǎn)的傳統(tǒng)供應(yīng)鏈的依賴。
SPEE3D開發(fā)的機(jī)器能夠生產(chǎn)尺寸達(dá)1000mmx700mm、重量達(dá)40kg的零件，其速度是傳統(tǒng)金屬3D打印機(jī)的100到1000倍。冷噴涂技術(shù)已經(jīng)被證明能夠滿足軍事需求，即在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)備件。澳大利亞陸軍一直是SPEE3D系統(tǒng)在此類應(yīng)用中最廣泛的用戶，一系列成功的3D打印試驗(yàn)知名該技術(shù)對(duì)于國(guó)防應(yīng)用具有巨大潛力。3D打印技術(shù)參考注意到，2023年7月，美國(guó)空軍授予了一家名為 Phase3D的公司一份價(jià)值125萬美元的冷噴涂增材制造合同。
END
美國(guó)軍方從不諱言對(duì)3D打印技術(shù)的重視。2023年3月，美國(guó)陸軍新授予1億美元用于地面部隊(duì)3D打印和數(shù)字化改造；美國(guó)海軍也將需要繼續(xù)大幅加大增材制造技術(shù)的部署力度，以滿足未來十年的生產(chǎn)期限。保證供應(yīng)鏈安全和急迫需求，3D打印發(fā)揮出了巨大潛力，美國(guó)軍方迫不及待的驗(yàn)證各種類型的3D打印技術(shù)，更有布局未來下一代技術(shù)的動(dòng)作，這將進(jìn)一步促進(jìn)該國(guó)3D打印技術(shù)的落地應(yīng)用，值得我們重視。
