1986年，通過美國國防部預(yù)先研究計劃局（DARPA）的項目，增材制造（AM）誕生在3D系統(tǒng)公司的機(jī)床上。30年后的今天，它已從實驗室轉(zhuǎn)移到戰(zhàn)爭前線應(yīng)用。
最終用途零件
按需應(yīng)用
前沿部署
美國的國防設(shè)施在20世紀(jì)90年代就開始使用AM技術(shù)。目前由于技術(shù)更加可靠并且擁有更好的材料，美國國防部決定直接使用這些技術(shù)，所有部門現(xiàn)在實施的計劃不僅要在系統(tǒng)研制中使用AM，而是在關(guān)鍵區(qū)域的前沿部署。
美國海軍計劃使用AM在三個不同層級提升機(jī)隊維修和使用。第一層是組織層，AM將用在中隊層級進(jìn)行使命任務(wù)保障，即飛行器服務(wù)和零件替換；第二層級是機(jī)隊完好性中心的中間層，AM將制造發(fā)動機(jī)組件，執(zhí)行預(yù)定的維修和在役修理；第三層級是機(jī)庫層級，AM將輔助預(yù)定的維修、修改、在役修理、駐地小隊在役修理和制造。
海軍有9個配備AM技術(shù)的機(jī)隊完好性中心（FRC），5個在東海岸，3個在西海岸，1個在日本。FRC在幾個地方使用AM，如鈑金模具中成形塊以及拉伸和橡皮囊壓力組件，他們還在配合成形和快速原型中使用傳統(tǒng)AM。FRC使用熔融沉積成形（FDM）制造車間模具導(dǎo)引、工裝和夾具。AM軟件可以基于CAD外形和使用的CNC機(jī)床，自動地創(chuàng)建工裝和夾具的AM文件，現(xiàn)在可以一夜之間實施快速重構(gòu)，以滿足新的使命任務(wù)需求。AM機(jī)床還生產(chǎn)復(fù)合材料零件，F(xiàn)RC也生產(chǎn)復(fù)合材料工具。
最終用途零件
使用AM最重要的應(yīng)用就是最終用途零件。有兩類應(yīng)用：一被描述為近期在制品，即用于快速修補(bǔ)或使命任務(wù)修改的零件;二是長期組件，使用金屬AM機(jī)床由鈦、鈷鉻和鋼合金制造的零件。美軍在未來規(guī)劃中著重強(qiáng)調(diào)這一點。國防部合同詳細(xì)規(guī)定零件要包含替換零件的AM文件，以及零件建造參數(shù)和后處理程序。
2017年1月23日，在加州北島的海軍航空站演示了這些AM能力。材料工程師演示了一個修理飛行器組件的冷噴涂工藝。這項增材、固態(tài)熱噴涂工藝可以修復(fù)組件已經(jīng)因腐蝕、磨損或機(jī)械損傷而丟失的關(guān)鍵外形特征。其他增材技術(shù)如激光涂覆也正研究用于修理關(guān)鍵零件。
美國陸軍長期在其基地使用AM，并且首次在戰(zhàn)斗中使用了3D打印，2012年5月，在阿富汗部署了快速設(shè)備部署（REF）實驗室用于快速原型。REF實驗室已經(jīng)取得成功，幾日內(nèi)就能拿出快速原型方案解決難題。比如，士兵面臨一個地雷探測系統(tǒng)上的電池壽命問題，電池可支撐6~8小時，但在炎熱的阿富汗只能工作1小時。一個士兵來到實驗室6個小時，工程師就創(chuàng)造了一個適配器，連接電池并允許其由任何軍用標(biāo)準(zhǔn)電池充電，將電池壽命增加至48小時。
不過，AM技術(shù)在原型交付中的最初使用仍是其最佳作用之一，不僅試驗新設(shè)計，而是通過同時嘗試多種解決方案以利用工程師和士兵的全部智商。
按需應(yīng)用
陸軍裝備研發(fā)與工程中心（ARDEC）和埃奇伍德生化中心（ECBC）正進(jìn)行重要的AM工作?？焖偌夹g(shù)和檢測部門表示：“20多年來ECBD在外形、配合和功能原型上通過快速產(chǎn)品開發(fā)的所有階段探索AM的好處。隨著AM的持續(xù)成熟以及對該技術(shù)性能的不斷信任，國防部正實驗在戰(zhàn)場上按需應(yīng)用AM。這個實施AM的范式轉(zhuǎn)移有減少供應(yīng)鏈負(fù)擔(dān)并維持完好性水平的潛力。”
在ECBC，研究人員在實驗室中與許多高端AM機(jī)床一同工作，設(shè)計可打印的軍用炸彈探測器支架。陸軍ECBC生產(chǎn)了上千款可用來減輕士兵負(fù)擔(dān)的支架。“事實上，一周之內(nèi)，我們可以設(shè)計許多并將它們打印出來交付到士兵手中，讓陸軍選擇最好的。”
安妮斯頓陸軍倉庫使用定向能沉積AM，稱作激光近凈成形（LENS），以修理M1A1坦克的補(bǔ)償懸臂。由于只有受損表面使用一個耐磨材料修理，對原始零件熱效應(yīng)最小，成本大大節(jié)省。懸臂的替換成本是2000美元，修理成本是750美元，一個臂就節(jié)省1250美元。陸軍的AM工作由陸軍有機(jī)工業(yè)基礎(chǔ)戰(zhàn)略計劃（AOIBSP）指導(dǎo)，它嘗試提供一個高度響應(yīng)和成本高效的復(fù)雜組織體。當(dāng)前，AOIBSP只覆蓋了陸軍5個主要的維修倉庫和3個制造兵工廠。
空軍近些年在大部分AM開發(fā)中處于領(lǐng)先，空軍及其承包商報道過許多噴氣飛機(jī)組件的增材制造事件。但是空軍還有其他重要的AM計劃，如定制化制造復(fù)雜幾何外形特征的小批量零件，幫助維持大齡飛行器機(jī)隊，定制工具、發(fā)動機(jī)組件和輕量化零件可以實現(xiàn)更好的維修和飛行器長壽?？哲娮罱鼒蟮婪QAM可以解決多種挑戰(zhàn)，計劃在后勤群體中實施這些工藝?？哲娬J(rèn)識到機(jī)隊逐漸老化，30年前建造的飛機(jī)其替換零件不存在，快速生產(chǎn)少量難找到的零件極為有價值且成本效率高，3D成像和相關(guān)軟件已經(jīng)成熟，零件可以被掃描、翻譯為精確的CAD模型然后3D打印出來。
士兵食物
陸軍一個有意思的開發(fā)是3D打印食物以滿足陸軍需要，主要好處是降低成本，因為食物可按需生產(chǎn)，消除浪費和后勤成本。它將給士兵更多菜單選擇。營養(yǎng)是首要目標(biāo)之一。作戰(zhàn)士兵的物理和精神壓力極高，維持一個士兵的身體和精神狀態(tài)在最佳狀態(tài)對于使命任務(wù)和安全至關(guān)重要。
美軍還與AM行業(yè)合作。軍事人員參加AM會議，為驅(qū)動這些技術(shù)發(fā)展提供輸入。他們主持活動并提供研究資金以讓這些技術(shù)更加實際和可依賴。尤其是在研究增材制造新的金屬合金上。原因是軍方認(rèn)為增材制造對于未來戰(zhàn)場的許多難題都是一個重大解決方案。此外，軍方還在關(guān)注4D打印和原位電路與傳感器。有一些新技術(shù)，包括零件內(nèi)嵌入式電路，在不遠(yuǎn)的將來，飛行器機(jī)翼將擁有原位傳感器，防彈衣將內(nèi)建通信、環(huán)境反饋和生物探測系統(tǒng)。
美軍在使用尖端技術(shù)上一直比對手有優(yōu)勢。近年來，軍方不僅積極使用增材制造，并且為可靠和實際使用而開發(fā)這些技術(shù)。成果是提升的軍隊完好性狀態(tài)，系統(tǒng)可以更快速地制造、修理和維修。未來，需求將是更少的零件儲備、更少的倉儲支出。增材制造將向前沿區(qū)域提供能力以針對自身開發(fā)解決方案，維持人員和物料資產(chǎn)。不過一個非常重要的作用是軍隊將更加精益，他們可以“以更少來做更多”。
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