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增材制造从实验室转移到战争前线应用
2017-05-24
【据制造工程杂志2017年5月10日报道】1986年,通过美国国防部预先研究计划局(DARPA)的项目,增材制造(AM)诞生在首台3D系统公司的机床上。30年后的今天,它已从实验室转移到战争前线应用。
·前沿部署
美国的国防设施在上世纪90年代就开始使用AM技术。目前由于技术更加可靠并且拥有更好的材料,国防部实体决定直接使用这些技术。所有部门现在实施的计划都不仅要在系统研制中使用AM,而是在关键区域的前沿部署。
美国海军计划使用AM在三个不同层级提升机队维修和使用。第一层是组织层,AM将用在中队层级进行使命任务保障,即飞行器服务和零件替换。第二层级是机队完好性中心的中间层,AM将制造发动机组件,执行预定的维修和在役修理。第三层级是机库层级,AM将辅助预定的维修、修改、在役修理、驻地小队在役修理和制造。
海军有9个配备AM技术的机队完好性中心(FRC)。5个在东海岸,3个在西海岸,1个在日本。FRC在几个地方使用AM,如钣金模具中成形块以及拉伸和橡皮囊压力组件,他们还在配合成形和快速原型中使用传统AM。FRC使用熔融沉积成形(FDM)制造车间模具导引、工装和夹具。AM软件可以基于CAD外形和使用的CNC机床,自动地创建工装和夹具的AM文件。现在可以一夜之间实施快速重构,以满足新的使命任务需求。AM机床还生产复合材料零件,FRC也生产复合材料工具。
·最终用途零件
使用AM最重要的应用就是最终用途零件。有两类应用:一被描述为近期在制品,即用于快速修补或使命任务修改的零件;二是长期组件,使用金属AM机床由钛、钴铬和钢合金制造的零件。美军在未来规划中着重强调这一点。国防部合同详细规定零件要包含替换零件的AM文件,以及零件建造参数和后处理程序。
2017年1月23日,在加州北岛的海军航空站演示了这些AM能力。材料工程师演示了一个修理飞行器组件的冷喷涂工艺。这个增材、固态热喷涂可以修复组件已经因腐蚀、磨损或机械损伤而丢失的关键外形特征。其它增材技术如激光涂覆也正研究用于修理关键零件。
美国陆军长期在其基地使用AM,并且首次在战斗中使用了3D打印。2012年5月,在阿富汗部署了快速设备部署(REF)实验室用于快速原型。REF实验室已经取得成功,几日内就能拿出快速原型方案解决难题。比如,士兵面临一个地雷探测系统上的电池寿命问题。电池可支撑6-8小时,但在炎热的阿富汗只能工作1小时。一个士兵来到实验室6个小时,工程师就创造了一个适配器,连接电池并允许其由任何军用标准电池充电,将电池寿命增加至48小时。
不过,AM技术在原型交付中的最初使用仍是其最佳作用之一,不仅试验新设计,而是通过同时尝试多种解决方案以利用工程师和士兵的全部智商。
·按需应用
陆军装备研发与工程中心(ARDEC)和埃奇伍德生化中心(ECBC)正进行重要的AM工作。快速技术和检测部门首席表示:“20多年来ECBD在外形、配合和功能原型上通过快速产品开发的所有阶段探索AM的好处。随着AM的持续成熟以及对该技术性能的不断信任,国防部正实验在战场上按需应用AM。这个实施AM的范式转移有减少供应链负担并维持完好性水平的潜力。”
在ECBC,研究人员在实验室中与许多高端AM机床一同工作,设计可打印的军用炸弹探测器支架。陆军ECBC生产了上千款设计用来减轻士兵负担的支架。“事实上,一周之内,我们可以设计许多并将它们打印出来交付到士兵手中,让陆军选择最好的。”
安妮斯顿陆军仓库使用定向能沉积AM,称作激光近净成形(LENS),以修理艾布拉姆斯坦克的补偿悬臂。由于只有受损表面使用一个耐磨材料修理,对原始零件热效应最小,成本极大节省。悬臂的替换成本是2000美元,修理成本是750美元,一个臂就节省1250美元。陆军的AM工作由陆军有机工业基础战略计划(AOIBSP)指导,它尝试提供一个高度响应和成本高效的复杂组织体。当前,AOIBSP只覆盖了陆军5个主要的维修仓库和3个制造兵工厂。
空军近些年在大部分AM开发中处于领先,空军及其承包商报道了许多喷气飞机组件的增材制造。但是空军还有其它重要的AM计划,如定制化制造复杂几何外形特征的小批量零件,帮助维持大龄飞行器机队。定制工具、发动机组件和轻量化零件可以实现更好的维修和飞行器长寿。空军最近报道称AM可以解决多种挑战,计划在后勤群体中实施这些工艺。它们认识到机队逐渐老化,30年前建造的飞机其替换零件不存在。快速生产少量难找到的零件极为有价值且成本效率高,3D成像和相关软件已经成熟,零件可以被扫描、翻译为精确的CAD模型然后3D打印出来。
令人激动的是,有了AM技术,老旧飞行器不仅可以维修,还可以改变使命任务,以满足世界上作战需要的持续变化。
·士兵食物
陆军一个有意思的开发是3D打印食物以满足陆军需要。主要好处是降低成本,因为食物可按需生产,消除浪费和后勤成本。它将给士兵更多菜单选择。营养是首要目标之一。作战士兵的物理和精神压力极高,维持一个士兵的身体和精神状态在最佳状态对于使命任务和安全至关重要。
美军还与AM行业合作。军事人员参加AM会议,为驱动这些技术发展提供输入。他们主持活动并提供研究资金以让这些技术更加实际和可依赖。尤其是在研究增材制造新的金属合金上。原因是军方认为增材制造对于未来战场的许多难题都是一个重大解决方案。此外,军方还在关注4D打印和原位电路与传感器。有一些新技术,包括零件内嵌入式电路,在不远的将来,飞行器机翼将拥有原位传感器,防弹衣将内建通信、环境反馈和生物探测系统。
美军在使用尖端技术上一直比对手有优势。今年年来,军方不仅积极使用增材制造,并且为可靠和实际使用而开发这些技术。成果是提升的军队完好性状态,系统可以更快速地制造、修理和维修。未来,需求将是更少的零件储备、更少的仓储支出。增材制造将向前沿区域提供能力以针对自身开发解决方案,维持人员和物料资产。不过一个非常重要的是军队将更加精益,他们可以“以更少来做更多”。(中国航空工业发展研究中心刘亚威)

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