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等，且在海軍方面的應(yīng)用潛力不斷提升，已經(jīng)成為國外海軍的研究熱點，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)，快速制作模型進行測試，驗證和改進設(shè)計參數(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，美國橡樹嶺國家實驗室與海軍顛覆性技術(shù)實驗室合作開發(fā)出美軍首個采用3D打印技術(shù)制造的潛艇艇體，也是美國海軍最大的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，整個過程耗時不到4周，這對于未來潛艇的制造具有重要意義，不但大幅縮短了制造時間，且能夠艇體。美國海軍計劃2019年打造第二個3D打印船體，并將進行水下測試。

  2017年9月，英國科學(xué)家向皇家海軍提交了關(guān)于未來新概念潛艇“鸚鵡螺”100號的設(shè)計方案。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，其表面可動態(tài)改變形狀，最大潛深為1000米，艇內(nèi)可容納20人。

  美國海軍水面作戰(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，通過對其進行閉環(huán)風(fēng)洞測試，檢測船體上層結(jié)構(gòu)對氣流場影響，以判定結(jié)構(gòu)設(shè)計是否適合飛機起降。相比傳統(tǒng)模型制造工藝，模型制造時間從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”級潛艇及“哥倫比亞”級潛艇建造成本，2015年10月，美國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，能為每艘“弗吉尼亞”級潛艇節(jié)省27.1萬美元成本，為每艘“哥倫比亞”級潛艇節(jié)省110萬美元成本，5年內(nèi)，將為兩個平臺共節(jié)省410萬美元成本。此外，該項技術(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，美國海軍首個3D打印*零件（一個2.5厘米長的鋁制連接器底殼），已經(jīng)用于“三叉戟”ⅡD-5*，起保護線纜連接器的作用。相比傳統(tǒng)加工方法，新型的鋁合金連接器底殼零件設(shè)計及打印時間減半。

  2016年8月，美國海軍完成了對“魚鷹”運輸機關(guān)鍵部件進行測試。該鈦合金部件為MV-22B“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機的發(fā)動機連桿及接頭組件，采用3D打印技術(shù)制造而成，未來美國海軍計劃利用3D打印技術(shù)更換任意一架MV-22的相關(guān)部件，這將對飛機維修以及作戰(zhàn)部署產(chǎn)生重要影響。

  2017年5月，美國諾?？撕＼娫齑瑥S設(shè)計出一種采用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，每次打印可以同時生成8個工具。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，美國海軍陸戰(zhàn)隊宣布，將使用名為X-FAB的可移動3D打印設(shè)備用于制造備件，并將其補充到海外部隊的移動機械工廠，用于海外維護和修復(fù)軍用零配件。3D打印機X-FAB是獨立可運輸?shù)娜S制造設(shè)備，裝配完成后質(zhì)量約為4763千克，可利用平板卡車進行運輸。由于在復(fù)雜環(huán)境中，船只無法輕易靠岸，因此，該3D打印機制備的軍用零部件可幫助海軍陸戰(zhàn)隊減少部隊的總負(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

  由于艦載無人機具有高風(fēng)險區(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的情報監(jiān)視偵察、掃描定位和打擊能力，因此，艦載無人機的發(fā)展越來越受到各國海軍的高度重視，并積極將3D打印技術(shù)應(yīng)用于艦載無人機的制造。

  微型3D打印無人機———SULSA。SULSA無人機能夠向英國皇家海軍“保護者”號上的工程師提供實時數(shù)據(jù)，為艦船導(dǎo)航，表明該無人機可以作為遠(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，美國海軍研究實驗室首次展示了近距離隱蔽自主一次性飛機（CICADA）。作為一種監(jiān)視無人機，其由較大飛機攜帶，然后以類似昆蟲群體的方式進行釋放。每個監(jiān)視無人機上都攜帶一個小的傳感器有效載荷，并擁有定制的自動駕駛系統(tǒng)。該無人機機身采用３Ｄ打印制作，加快了生產(chǎn)時間，減少了所需的組裝量。未來該無人機將完全由機器人完成制作和組裝，以實現(xiàn)低成本和高效地部署。目前，每個CICADA成本約為250美元。

  2017年9月，美國第七海軍陸戰(zhàn)隊已部署首批25架3D打印的小型四旋翼無人機———Nibbler，且已有48名士兵接受了編程、3D打印機使用、無人機裝配等技能培訓(xùn)。Nibbler是海軍陸戰(zhàn)隊擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的小型四旋翼無人機，續(xù)航時間20~25分鐘，可攜帶攝像機等有效載荷，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)隊作戰(zhàn)概念》中，海軍陸戰(zhàn)隊希望所有作戰(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，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“推進作戰(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，也可以進一步減少艦船備件的種類和數(shù)量。未來的戰(zhàn)爭形勢對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打印無人機將大幅提升艦船作戰(zhàn)能力

  當(dāng)前，多國海軍將3D打印機部署在艦船上，并積極推進3D打印無人機技術(shù)發(fā)展。未來艦船只需攜帶少量無人機通用的電子元器件離開港口，無人機的主體可完全定制，可由艦上人員設(shè)計打印，也可由陸上的研究機構(gòu)負(fù)責(zé)設(shè)計，傳送到這些艦艇的3D打印機上進行快速制造。依托“設(shè)計即生產(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，而無人機可以根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同進行分別設(shè)計，以執(zhí)行監(jiān)視、偵察、攻擊等任務(wù)，被摧毀后即可快速補充，未來對提升海軍艦船的作戰(zhàn)能力具有重大意義。

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