3D打印技術加速步入海軍軍事應用

  近年來，3D打印技術取得了快速的發(fā)展，目前，已經(jīng)廣泛應用于零部的生產(chǎn)制造，尤其是具有復雜結構的零部件。在艦船領域，3D打印技術正逐漸應用在艦船設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用。

  一、制造船體船模

  3D打印技術可以用作快速原型技術，快速制作模型進行測試，驗證和改進設計參數(shù)，加快艦船領域新產(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實驗室合作開發(fā)出美軍首個采用3D打印技術制造的潛艇艇體，也是美國海軍最大的3D打印物體。該潛艇艇體結構由一種碳纖維復合材料制成，艇體長約9.14米，采用大面積3D打印技術制造而成。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，英國科學家向皇家海軍提交了關于未來新概念潛艇“鸚鵡螺”100號的設計方案。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打印技術制作USNS醫(yī)院船（T-AH120）船體模型，通過對其進行閉環(huán)風洞測試，檢測船體上層結構對氣流場影響，以判定結構設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打印技術可以滿足復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打印技術制造HY系列鋼復雜零部件鑄造所需的砂型及型芯，將現(xiàn)有復雜零部件的焊接組裝工藝改為一體化鑄造。初步預計，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”運輸機關鍵部件進行測試。該鈦合金部件為MV-22B“魚鷹”傾轉旋翼機的發(fā)動機連桿及接頭組件，采用3D打印技術制造而成，未來美國海軍計劃利用3D打印技術更換任意一架MV-22的相關部件，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設計出一種采用3D打印技術制造的、可用于各種艦艇部件的拉桿螺栓抗旋轉工具。該拉桿螺栓抗旋轉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構部件，使用結果表明，該拉桿螺栓抗旋轉工具非常有效，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軍用零配件。3D打印機X-FAB是獨立可運輸?shù)娜S制造設備，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)隊減少部隊的總負荷和物流環(huán)節(jié)，快速修復損壞的裝備和設備，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險區(qū)域突防能力、通信導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打印技術應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)，為艦船導航，表明該無人機可以作為遠程偵察工具，執(zhí)行持久監(jiān)視偵察目標的任務。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。Nibbler是海軍陸戰(zhàn)隊擁有自主知識產(chǎn)權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)視或其他任務的小型無人機，而將3D打印技術提高到戰(zhàn)術應用水平是海軍陸戰(zhàn)隊“推進作戰(zhàn)力量建設”任務的一部分。

  四、啟示

  （一）3D打印技術將成為海軍裝備維修保障的重要輔助手段艦船在遠洋航行期間，會由于備件配備不足等原因，導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。由于3D打印設備的便捷性及材料的可攜行性，運用3D打印技術可快速打印出的相應備件，一方面可以解決受損的艦船設備故障，另一方面3D打印技術在艦船上應用，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，可由艦上人員設計打印，也可由陸上的研究機構負責設計，傳送到這些艦艇的3D打印機上進行快速制造。依托“設計即生產(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)行任務的不同進行分別設計，以執(zhí)行監(jiān)視、偵察、攻擊等任務，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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