3D打印技术如何成为未来战争的关键点?

点击量:336 发布时间:2017-02-17 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
  未来的战争中,一台其貌不扬的打印机也可能成为重点轰炸目标。
 
 
 
  军工和国防是最能从3D打印技术中受益的领域之一。3D打印技术将极大缩短军队供应链,以更短的时间、更低的成本、更不受物理限制的方式,生产各种零件、设备、武器。在对未来战争的构想中,世界各主要国家都不敢忽视3D打印技术。
 
  美国海军陆战队野战演习测试3D打印
 
  据3Ders.org报道,美国海军陆战队开始在野战演习中测试增材制造,为未来在战争中应用3D打印技术铺路。
 
 
 
  海军陆战队372侧翼支援中队(建立- 372)是3 d打印的试点。司令官的海军陆战队将军罗伯特·内尔已经发布了一个关于增材制造的临时政策,表明3D打印机可能很快就会成为标准配置。
 
  好处是显而易见的。海军陆战队和一些其他军事单位通常部署在偏远地区,因此能够携带的设备多多少少受到限制。但是,只要一台3D打印机就可以打印各种基本部件,从水瓶到到枪支卡车的备件,甚至一些简单的工具。在危急之中,这可能意味着生与死的差别。
 
  3D打印机可能成为海军陆战队中最强大的武器之一,因为3D打印机可以快速创造数以千计的不同组件,从而可以保证装备、车辆始终配备齐整。它还可以给战场上的士兵生产水瓶和水龙头,从而帮助他们在沙漠、山地等不利地形下生存。对于军方高层,这无疑是有趣的前景。
 
  目前MWSS-372的测试是从简单开始的。他们使用的是一款普通的“Invent3D” 3D打印机,这款3D打印机配备的是单挤压头,最高承受温度为220摄氏度。这意味着测试团队只能创造塑料配件,但是战斗工程师们也可以用它打造塑料夹子或者螺丝,这样他们就可以修复一些损坏的金属部件而不用完全更换它们。
 
  实际上,很多部件选择使用金属材料往往是为了更加耐久,因此在紧要关头士兵们也可以临时使用一些塑料的新部件,以应付突发情况。
 
 
 
  为了展示3D打印机在战场上的实际用途,测试团队用它为一辆军用悍马打印了一个新的门把手。为了实现这一目标,他们用手测量了该把手,并将数据输入Tinkercad。
 
  未来美军计划建立一个庞大的基本零部件数据库,这样部队就能够很方便地打印出任何需要的部件。
 
  据称,美国海军陆战队已经开始在亚利桑那州进行一系列的3D打印机训练一体化演习,并决心培训每一中队如何在战场上使用3D打印机。此外,刚颁布的临时政策也包括了一系列的安全要求,也包括要求为车辆打印的部件要使用一种显眼的颜色,这样当车辆返回服务地点时便于对其进行检查或更换。
 
  事实上,早在2014年,美国海军陆战队就在军演中使用过3D打印技术。3D Systems公司与美国海军陆战队一起,为其年度远征后勤军事演习(Expeditionary Logistics Wargame)提供3D打印、扫描和检测技术支持。
 
  工程师们利用3D Systems公司的3D扫描和金属打印技术,修复多用途战术机器人。该机器人主要作用是清理目标区域的垃圾和其他障碍物,以便于直升机降落。使用3D扫描系统,工程师们将能迅速创建机器人的受损部件精确的CAD模型,并使用3DS的工业级金属直接印刷和选择性激光烧结3D打印机快速制造出完好的部件。
 
  在打印完成后,他们还将使用一款名为 Geomagic Control的软件对打印件进行数字检测,以确保其安全可靠。
 
  今年6月1日—2日,在北卡罗来纳州的海军陆战队基地军营,来自美军海军陆战队各单位的代表学习了如何使用3D打印机、尝试着组装它们,并了解了3D打印机的能力。参与学习的人中包括飞机机械师、海军陆战队后勤人员和轻武器维修技师,这些人员需要将3D打印机融入自己的日常职业工作中,使得海军陆战队能够在其需要的时候设计和3D打印出任何产品。
 
  海军陆战队还曾考虑用3D打印解决飞机短缺的问题,以及尝试用于后勤支援的可能性。
 
  3D打印在实战中的应用
 
  目前,3D打印在实战中的应用并不多见。
 
  在2014年4月爆发并延续至今的乌克兰东部冲突地区中,乌克兰军队在战场上使用了3D打印的无人机。
 
 
乌克兰军队中使用的3D打印无人机
 
  这些3D打印无人机主要来自基辅 Step IT学院的机器人实验室,被用于从安全距离监控与亲俄分裂分子交战区域的情势。
 
  每架无人机的3D打印费用大约为1200美元(其间大部分费用是人力资本,而不是材料本身),另外还需要3000美元用于必需的精良设备。虽然这看起来很贵,但是想一下,一架拥有类似功能的普通无人机成本高达30000美元。3D打印无人机的价格仅相当于它的七分之一。
 
 
五角大楼的3D无人机
 
  近期,美国五角大楼也测试了低成本的3D打印迷你无人机群,希望用于监视和攻击。美国国防部称,未来将部署无人机群干扰敌方防御系统,并通过小型传感器监视区域,甚至装备攻击性武器。这些迷你无人机名为“Perdix”,目前已经3D打印出它们的外壳模具,使得低成本批量生产成为可能。
 
  据3Ders.org报道,巴西空军也正在尝试用3D打印技术制造飞机零件。
 
 
 
  据一位巴西空军研究所(IEAv)研究员介绍,研究所一直在寻找一种方式来加快新航空零部件的试验和开发过程。在IEAv使用增材制造特定部分(与气体燃料喷射孔具有15度斜坡的飞机入口坡道)的成功后,3D打印已成为越来越重要的研究方式。后来,研究所用3D打印制造了高超音速引擎原型,和飞机模型。这些模型已经通过多次测试,如休克风洞试验等。
 
  此前IEAv使用传统的制造技术,不仅价格昂贵,而且非常耗时,通常6个月只能生产一个配件。采用3D打印技术后,研究人员大大缩短了这一制造周期,可以在一周内完成配件的3D打印并通过测试。
 
  目前,IEAv正致力于含有金属或其他先进材料的混合动力材料原型的3D打印。下一步,该研究所的目标是提高飞机新零件的强度及匹配度。
 
  现在,3D打印技术已经成功运用于飞机的零部件生产和维修。
 
 
英国“旋风”战机
 
  2014年1月,一架采用了3D打印技术生产的零件的“旋风”战斗机完成试飞。3D打印部件包括驾驶舱无线电防护罩、起落架防护装置以及进气口支架。英国航空航天系统公司称,这是装配3D打印部件的战斗机首次试飞成功。
 
  2015年6月,韩国空军使用的F-15K战机发动机遭到损坏,其发动机上的钛合金的涡轮护罩与钴合金的空气密封件需要修复,他们想要找到一种既耐久又可靠的方法使部件升级的同时,又不牺牲任何质量。韩国空军选择了3D打印技术,找到德国3D打印机制造商利用专门的DMT技术完成了修复。
 
  DMT技术的工作原理主要是用高功率激光熔化金属粉末,被认为是最新和最具前景的3D打印技术之一,几乎能够立即修复好韩国军机的部件。
 
  展望未来:3D打印一体化战争
 
  最直观的是供应链的变化。军用3D打印技术将极大缩短军队供应链,降低后勤保障成本。美国公司认为,3D打印技术可能会使美国国防部减少库存和存储空间,从而降低各项成本。
 
  其次,战争进程的变化。
 
  中国国防报·军事特刊曾发表文章称,未来的战争有可能成为“3D一体化战争”:
 
  3D打印技术将对未来信息化战争产生全面广泛的影响,包括作战理念、指挥体制、技术研发、装备制造、后勤装备保障等方方面面。如果从整个参战体系各要素的关联性去看待3D打印技术,可以毫不夸张地说,未来的一体化作战,将是3D打印的一体化战争。
 
  文中提到,3D打印可以更好地发挥一体化战争顶层设计的作用。顶层设计事关战争准备和战争实施的方向,牵一发而动全身。但顶层设计难以对局部各要素在体系中发挥的作用和可能出现的问题做到面面俱到。
 
  未来3D打印技术基本上能够保证有什么样的图,就能出什么样的产品。因此3D打印技术可以将顶层设计中的改变体现在图纸上的预变,对预变的各要素进行细致分割,既可以将分割后的要素部件进行样品打印逐一测试,又可以将各要素无缝衔接实现整体组合运转。这样,就可以在试验阶段实现设计与实体运行相结合,预先发现实体运行可能出现的局部性问题以及局部性问题对体系系统产生的影响,及时修正顶层设计中出现的问题,从而使整体设计有更大的预见性和更多的改变空间,避免整体设计的失误带来的灾难性影响。
 
  最后,3D打印还可以提供更好的适应性,物理束缚大大降低。
 
  没有枪没有炮,3D打印就地造,这在未来的战争中可能成为现实。假象一个场景,如果被敌军围困在一个山头上,在子弹行将用完之际,没必要坐以待毙,只要有一台3D打印机,就可以马上生产弹药。再比如,一架3D飞机被敌人击落以后,短短几小时后,另一架飞机马上就从基地起飞。
 
  但是,3D打印也会带来一些风险。
 
  比如,3D打印将会使人们获得枪支弹药的难度大大降低,枪支泛滥可能导致大众的紧张情绪,造成更多的流血事件。恐怖分子利用3D打印机,也可以在短期内大规模生产杀伤性武器。
 
  但是,无论如何,3D打印都会改变未来的战争形态。未来的战争中,一台其貌不扬的打印机也可能成为重点轰炸目标。 
 
 
洛克希德•马丁公司追赶3D打印步伐
 
据《制造工程杂志》网站2016年11月3日刊文,作为世界上最大的防务承包商,洛克希德·马丁是否已经掌握了增材制造?据公司奥兰多训练与仿真部的增材制造组长Robert Ghobrial表示,像世界上所有制造商一样,一些洛马的专家正纠结于回答3D打印提出的一些问题。“我们现在是否应该投资该技术,或者等到其更快和更便宜?我们是否应该拥有一个中心化或分布式打印的模型?”他是在10月举办的“增材制造应用:为增长而创新”研讨会上提出这些问题的。
 
他谈到2012年的3D打印工作,那时他的团队收到了一些MakerBot打印机,大部分都没用过。即使是到了2014年,他的绝大部分工作也是为Thingiverse数字设计公司制造一些小装饰品。“当时我打印尤达大师的头,我说‘相信我,相信我,我们能搞定’。”同年,他的团队得到了第一台生产型3D打印机,Stratasys公司Fortus。“有了这台打印机,我们有手段制造真正的零件。”Ghorbial创造了一个词语“增材制造的5P”,一个制造模型,描述增材制造如何能够帮助航空航天、防务和其它业务。5P是:
 
方案(Proposal):3D打印可以在交易会上制作赠品;建筑和空间模型;辅助客户交流。例如,一个斯科斯基直升机的3D打印缩比模型让他的团队能够将客户的想象快速翻译为一个物理模型,每个人都可以看到和触摸。
 
原型(Prototype):3D打印机的原型帮助设计确认和概念开发验证。在设计阶段下游,原型帮助确保在技术交换会议、初步和关键设计评审上得到专家认可。
 
采购:我们能制作物品而不是购买它么?增材制造如何降低我们的供应链风险、运输和库存成本?
 
生产保障:3D打印保障生产的方式有帮助制作装配夹具、制造工装、生产模板、检测夹具和机床防护板。
 
生产:增材制造可生产终端零件;按需制造零件用于备件、保修和修理保障;甚至管理过时淘汰。
 
Ghorbial解释了管理过时淘汰:“许多国防部采购的系统将服役数十年。当国防部因为战场损坏而订购一个系统、子系统或部件时,原先的制造商或供应商可能已经停业了。我们使用增材制造重新生产那些原始零件,作为管理供应链中过时淘汰的一个方式。”至少有一个听众欢迎这个事实,即洛马没有全部的答案。重型设备流体处理系统制造商HydarForce的运营经理表示:“这令人鼓舞。至少正视了现实,即增材制造正在到来,但我们还没完全准备好。”
 
洛马用这项新技术已经取得一些成就,并且是世界性纪录。公司7月制造了达到木星极轨道的朱诺航天器。它拥有一个增材零件,使其成为飞得最快的3D打印零件。而且,洛马正在为卫星制造钛合金推进剂贮箱,使用的是西亚基公司的电子束增材制造技术。尽管Ghobrial有些自嘲感,但他的团队让3D打印机得到了良好使用。在增材制造生产的第一年,该设施就生产了超过3500个增材制造零件,其中1500个进入了最终用途生产。“我猜测如果我们没有Makerbots,我们现在不会达到这个高度。”(中航工业发展研究中心 刘亚威)
 
 
俄罗斯先期研究基金会
完成3D打印弹药测试
 
【据3ders网站2016年11月13日报道】俄罗斯先期研究基金会(Fund for Perspective Research)日前对3D打印弹药进行了测试,结果显示,增材制造的弹药与传统工艺制造的弹药性能基本一致。
 
近期,俄军方几乎每周都会公布一些基于3D打印的新应用,包括无人机、坦克、武器。3D打印子弹是最新公布的3D打印应用,它可以为军方提供一种新型弹药。俄罗斯先期研究基金会报告称,大量3D打印弹药测试显示结果非常乐观,某些方面表现与现有弹药一样好。
 
俄先期研究基金会表示,研究人员使用激光烧结技术来3D打印子弹,金属粉末一层层熔合,最终形成一个没有接缝或弱点的完整的子弹。虽然3D打印肯定不是生产小金属构件快的方法,但研究表明,制造过程是可行的,可以合理地用于制造特殊设计的弹药或弹药模具。
 
3D打印子弹测试由俄罗斯先期研究基金会与中央精密机器制造科学研究所(JSC Tsniitochmash)共同完成。射击实验表明,子弹具有必要的强度,与其他弹药一样有效,研究人员认为激光烧结技术可用于开发更多其他军事装备。
 
如俄罗斯3D打印技术研究继续当前的研究速度,则该国军方未来将有可能使用全部由3D打印制造的武器和弹药。早在俄罗斯先期研究基金进行3D打印子弹测试之前,俄传奇武器制造商卡拉什尼科夫集团今年二月就曾建议,可以使用增材制造打造新型突击步枪。卡拉什尼科夫集团与俄罗斯Stankoprom金属公司签订合同,为其新型武器生产一系列3D打印金属零件。 (中国船舶工业综合技术经济研究院 程大树)
 
 
美国采用创新型3D打印工艺
在厘米级尺度制备出具有
纳米级特性的多层金属超材料
 
【据弗吉尼亚理工大学网站2016年7月报道】多年来,科研人员一直通过在纳米尺度合成材料获取较强的力学、光学和能量特性,例如,在纳米尺度制造材料的强度是钢的100倍(例如石墨烯片材),但在更大尺度上合成的材料强度将大幅降低。
 
目前,弗吉尼亚理工大学好劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科研人员在DARPA的支持下,研究出能在厘米级尺度上制备具有纳米尺度特性的有机(例如金属和陶瓷)纳米结构材料的3D打印工艺。采用该工艺制备出的金属材料由纳米尺度的中空管排列成分层的三维晶格架构,具有轻质、高强度、超弹性和空前的延展性。制备出的材料同时展现出超高的弹性,拉伸弹性是传统轻金属和陶瓷泡沫材料的400倍。制备过程中并未采用柔软的聚合物,因此制备出的材料适用于要求在恶劣环境下抵抗化学腐蚀和耐热的柔韧的传感器和电子产品。制备出分层晶格意味着拥有更多界面来搜集光子能,因为光子可以从包括表面和晶格结构内部在内的所有方向进入到材料结构中,而传统的光伏板仅能通过表面搜集光子。
 
该工艺制备出的材料可用于任何需要材料同时具有高刚度、高强度、轻重量、高弹性的领域,例如用于航天、弹性装甲、轻型车辆和电池结构。(中国航天系统科学与工程研究院 贾平)
 
 
 
 
美国橡树岭国家实验室验证
永磁铁增材制造技术
 
【据美国橡树岭国家实验室网站2016年11月1日公告】美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员验证了一种永磁铁增材制造技术,用这种技术生产的永磁铁在各方面都优于用传统注模技术生产的粘结磁铁,有相当的或更好的磁性、力学性能和微结构,而且生产过程不会浪费材料,有助于对稀土资源的保护。ORNL的科学家此次制造的是各向同性的钕铁硼磁铁,相关结果已发表在《Scientific Reports杂志》上,项目得到了DOE关键材料研究所(CMI)的资助。ORNL科学家的下一步目标是打印各向异性的粘结磁铁。CMI的负责人Alex King认为,复杂形状高强度磁铁的制造能力是高效电动机和发电机设计的“改变游戏规则技术”,该项研究的潜力非常巨大。(理群)
 
 
通用电气公司成功测试包含35%
增材制造零部件的航空发动机
 
【据3ders网站11月1日报道】通用电气公司已经对一台35%零部件都采用增材制造的演示验证发动机进行了测试。该发动机主要用于验证增材制造技术在先进涡桨(ATP)发动机的适用性,ATP发动机将为德事隆最新研制的Cessna Denal单引擎涡桨飞机提供动力。 
 
航天航空领域一直在追求将增材制造作为重要技术手段。通用电气公司此次展示了一个35%增材制造零部件的发动机,无疑是航空航天领域增材制造技术应用的一个壮举,适用于ATP发动机的所有增材制造零部件将使发动机减重5%,特定燃油消耗减少1%,进一步表明了增材制造技术应用的良好效果。 
 
为了验证ATP发动机零部件,通用电气公司开发了CT7-2E1技术演示验证发动机——a-CT7,其在18个月内完成设计、制造和测试。该验证发动机对现有CT7(采用减材制造)发动机进行反求,全面展示出航空航天增材制造的能力,超过900个采用传统减材制造的零部件变为仅由16个增材制造零部件。虽然验证发动机不打算飞行运行,但ATP发动机零部件派生自CT7,使得经a-CT7成功测试的增材制造零部件可以集成到ATP发动机中。 
 
该ATP发动机将为新的Cessna Denali单引擎涡桨飞机提供动力,将比任何航空历史上生产发动机中使用的增材制造零部件都多,855个减材制造零部件将减少为12个增材制造零部件,占发动机总零件数量的35%。这些增材制造零部件包括:油底壳、轴承座、框架、排气箱、燃烧器衬套,热交换器和固定流动道部件。 
 
在ATP发动机中使用12个增材制造零部件标志着发动机中零部件数量比CFM LEAP发动机显著增加。CFM LEAP发动机只包含一个增材制造燃料喷嘴。然而,设计LEAP增材制造燃料喷嘴的8位工程师在a-CT7中制造了16个增材制造零部件,并且将有更多的增材制造零部件集成到下一代的演示验证发动机中。 
 
在通用电气公司看来,增材制造技术不仅有助于减轻发动机部件的重量,还将提高生产速度。例如,燃烧器衬套两天就可以采用增材制造成形。增材制造的另一优势是加快了测试周期。诸如ATP这样的项目,通用电气公司的一个关注重点是使硬件设备能更快地测试,而不是花费太多时间在计算机上进行模拟仿真。通过尽快对实体硬件设备进行测试,可以使用测试结果数据来帮助更好地进行设计迭代,这样可以更快设计出更好地产品。 
 
这一1240马力ATP涡桨发动机是通用电气公司涡桨发动机中的一个新系列,目标是瞄准公务及通用航空领域动力市场(1000~1600马力),计划在2017年底前投入运行。新的Cessna Denali飞机将由ATP提供动力,飞行距离可达到1600海里,速度高于285节。 
通用电气公司航空业务副总裁Brad Mottier最近报告说,公司已经花费了大约10亿美元来执行其整体增材制造计划。在10月份未能收购德国SLM解决方案公司后,最终收购了德国Concept Laser公司。
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