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美国防部首份《增材制造战略》解析

发布时间:2021-03-08 18:41:27 来源: 作者:

  

2021年1月,美国防部负责研究和工程的副部长办公室(OUSD (R&E))战略技术保护与开发(STP&E)办公室下的国防部长办公室制造技术(OSD ManTech)项目办公室发布了首份综合的《增材制造战略》文件,美军各军种和其他国防机构合作参与了该项战略的制定。文件中介绍了增材制造的内涵以及对国防战略改革的重要意义,描绘了推行增材制造战略的目标与愿景,针对增材制造的五个重点发展领域展开了详细阐述与路径规划,并提出了下一步工作的关键步骤,为增材制造技术这一改变游戏规则的前沿技术在国防部范围内的发展与应用构建了共同的愿景与路径。

  

  

美国防部2021年1月发布的《增材制造战略》文件首页

  

一、增材制造被视作推动国防战略改革的重要力量

  

1、增材制造技术概述

  

先进技术正在改变系统的制造方式以及生产信息和数据的管理方式。增材制造,通常也称为3D打印,是一种根据零件三维模型数据将材料逐层连接起来的数字化制造方法,可以大大提高生产速度和灵活性。运用增材制造技术可以制造其他工艺方法无法完成的部件、独特地组合各种材料、生产已过时淘汰的零件、快速制造原型,以及创建辅助制造的专业工装和模具等,是实现国防系统创新和现代化、支撑战备和作战人员就绪的强大工具。

  

增材制造的快速原型设计和独特的制造能力将使工程过程从“设计-制造-测试”到“建模-分析-制造”模式的转变成为可能。标准开发机构美国材料与试验协会(ASTM)根据原材料和能源方式的不同,将增材制造分为七大类别,这些工艺及相关技术可用于制造从地面到空中系统的聚合物、金属、陶瓷、复合材料部件和电子元件(如传感器、天线)等。

  

  

七种行业认可的增材制造工艺(美国材料与试验协会图片,中国航空工业发展研究中心汉化)

  

2、增材制造可从三方面推动国防战略改革

  

在美国《2018年国防战略》中,将“建设一支更具杀伤力的部队”以及“富有弹性及灵活的后勤保障”等作为重要改革目标,可以快速、按需和定制化制造的增材制造可以在三方面为这些目标赋能。

  

(1)国防系统现代化对应《2018年国防战略》纲要中的“建设一支更具杀伤力的联合部队”目标。

  

增材制造通过整合材料、设计和加工过程,从根本上改变了部件的设计方式,这些创新设计可以实现更优的性能。此外,增材制造还可以将多个组件设计为单个部件,减少零件数量、制造成本和重量,同时提高系统可靠性。组合部件、混合材料、创建创新轻质结构和构建内部特征的能力,可以显著减少新系统的生产时间,提高作战人员的响应速度。

  

(2)提高装备战备完好性对应《2018年国防战略》纲要中的“快速、迭代的能力开发方法将减少成本、技术淘汰和采办风险”和“弹性、敏捷的后勤”目标。

  

在企业范围内应用增材制造技术将提高任务就绪度,确保作战人员在需要时获得关键能力。它能够快速生产原型,减少开发时间并加快迭代。通过提供低成本的替代制造商来扩大传统供应商基础,其灵活生产能力还有助于降低老旧过时部件的风险。此外,增材制造生产过程可以分配和扩展到多个机器、多个地点,减少设备停机时间,提高维护和维修效率。在无法获得零件和数据的情况下,逆向工程和增材制造是维护遗留系统的有效方法。

  

(3)增强作战人员的创新和能力对应《2018年国防战略》纲要中的“作战人员的创造力和天赋是最持久的力量”。

  

增材制造允许在战区开发创新的解决方案。当前已有许多案例:美国海军陆战队在实地打印传感器外壳方面进行了创新;陆军战地维修单位成功打印了低成本盖体来保护坦克上价值100万美元的镜头;空军使用增材制造替换C-5的老旧部件,成本仅为原来的5%。

  

  

C-5“银河”计划中扩大了增材制造的应用范围,该型军用运输机于1963年开始设计,1968年6月第一架原型机试飞,1970年开始正式交付使用,部件面临着老旧过时的风险(美空军图片)

  

互联的数字方法是增材制造战略的基本要素。数字线索可以为安全有效地应用增材制造提供完整、安全、权威的数据处理集成,使作战人员能够安全地访问有权限的数据,分享并反馈创新的解决方案。

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