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近日,美空军称已为f-22隐身战斗机加装了3d打印的钛制部件。如果顺利接受测试,它将在维护期间安装到所有f-22上。目前,至少有5个3d打印的金属部件有待在f-22上进行检验。

美军2018年的一份报告指出,维护及数量少是导致f-22在全世界范围内可用率低的主要原因。如果能充分应用3d打印技术,带来的后勤保障的变化将使战力得到大幅提升。

国防科技大学国防科技战略研究智库王群教授对科技日报记者表示,“这几年,3d打印技术的军事应用日益广泛,美空军此次用其用为f-22打印钛制金属支架就是明证。实际上,之前美空军的另一款隐身战机f-35就已经使用了该技术,美国‘杜鲁门’号航母还首次安装了3d打印金属部件。然而,要使这种先进技术在军事上得到进一步的应用和普及,还必须大力研发打印材料,这是当下它面临的最大问题之一。材料发展相对滞后,使3d打印目前只能是传统制造技术的补充。”

3d打印大幅降低f-22维护成本

3d打印技术又称为“快速成型”或“增材制造”技术。一般来说,它与传统制造业的“减材制造”技术相比,具有制造周期短、效率高、材料省、成本低等明显优势。早在2012年,美国《外交政策》杂志网站的一篇文章,就将3d打印武器排在未来需要关注的军事技术榜首!

美国五代战机要大量用到钛合金,f-22上就有很多特制的钛合金部件。资料显示,在f-22上一些承力大型钛合金隔框都是用锻件制成的整体,其中最重的锻件近3000千克,尺寸3.81m×3.17m,但切削加工后的成品件不到150千克,利用率只有5%多一点。

“这导致钛合金的材料浪费严重。因为传统工艺属于减材制造,制作部件时经过制模、锻造、切割、打磨、抛光等一系列工序,很多材料都‘裁剪’掉了。而3d打印是增材制造,理论上‘一次成型’,无需制模和其他传统的复杂工序,材料基本可‘按需配给’,大大增加材料的利用率。”王群说。

比如要打印一个金属部件,先操作计算机读取打印文件中的切面信息,让打印喷头在文件指令的控制下,以切面形状喷出金属粉末,然后通过激光束加热,让其熔化和固化后形成与切面形状相同的平面薄层。接着再控制打印喷头,在已形成的平面薄层上按照相邻的下一个切面形状,喷出薄层并固化粘合。如此往复,最终就能把一个个与部件切面形状相同的平面薄层,逐层堆砌并粘结成所需要的3d实体部件。

“正是因为制造方式的不同,3d打印能大大降低原材料的消耗,同时也降低了成本。”他指出。

记者了解到,此前美海军陆战队的一个研究团队,利用3d打印为f-35起落架制造了一个部件,成本仅9美分,推广应用后可使每架f-35的维修费用降低7万美元。而早在2012年,美国新型电子束3d打印技术就已取得重要突破,具备大型金属部件加工能力。美国防部和洛马公司,准备将其用于生产f-35的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质部件。

弥补f-22因停产导致的部件供应问题

王群说:“以往,对特殊或定制部件,要先向厂家提出需求,厂家据此完成设计制造。这不但需要较长的生产周期,而且批量小的话,成本也不‘秀气’。美国f-22 早在2009年就已停产,这意味着某些部件可能面临无备件的尴尬局面。再专门让厂家制造,生产周期和费用都是不得不考虑的问题。同时,产品最终送到用户手中,还要叠加不菲的运输和时间成本,这也不能忽视。而3d打印,只要构建出产品的3d打印模型并形成打印文件,就能方便、快捷地制作出产品即刻投入使用。”

在前述新闻中,美空军某维修中队的负责人罗伯特·卢因指出,f-22的数量有限,因此会出现一定的部件供应问题,此时则需要3d打印弥补这一缺陷,且可省去很多供应环节,让维修人员能以最快的速度得到所需部件,更可免除订单数量少无法供货的担忧。他表示,“如果我们能用3d打印制造出更为复杂的部件,那么战机的维修时间将大大缩短到60或70天。”

“此外,3d打印对打印操作人员的技术要求也不高。普通人,只要经过简单的培训基本就能胜任。同时,它对制造场地也无较多限制,还能实现远程制造。比如,舰船或其上的武器更换部件,传统上需要从后方通过空运或海运方式送到舰船上,但3d打印只要能用网络将‘图纸’传输过来,现场就能完成零部件的制造。”王群说。

此前,北约“三叉戟接点”军演,就传出了使用3d打印备件修好了因寒冷而引起故障的卡车、坦克的消息。北约秘书长斯托尔滕·贝格就此表示,3d打印制造备件可立即交付,无需等待从仓库运来。要知道,有时卡车上一个2.51美元的灭火帽从美国运输过来就需要126天。

大规模军事应用尚存在问题

总体来说,3d打印特别适合紧急情况下的部件置换,比如对战场上损伤武器装备的应急维护,现地就能为其快速、低成本地制作部件,不再需要以往那样由部队大量携带。

“正因为具有这样一些优势,3d打印在军事上的应用变得越来越广泛。”他表示,美军早在2012年和2013年,就在阿富汗战场部署了两个基于3d打印技术的移动远征实验室,并开展相应的装备维修保障研究。

记者了解到,近年来3d打印军事应用的案例有很多。

2013年,美国得州一家公司就宣布用金属粉末制造并测试了世界上第一支3d打印金属枪。如今,特朗普政府更是允许公众从网络上下载3d打印枪械蓝图。

2015年7月,英皇家海军舰艇在海上试飞了一架3d打印的无人机。它重约3千克,翼幅1.5米长。

2017年,美军制作的rambo m203a1榴弹发射器,除了弹簧和少量固定零件外,整体都利用3d打印制作,并通过了美陆军的测试。

……

“除了制造武器装备及部件,3d打印还能改变战场保障方式,比如在战场应急救护中,为伤员打印夹板和固定物,甚至打印受损的关节、头骨和某些器官。再比如,现地为部队打印营房和障碍物、伪装物等。”王群介绍。

“当然,3d打印目前尚难实现‘制造万物’。正确地说,它仍处于发展阶段,暂时只能是传统制造的补充。如果想在军事上大规模应用,还有一些问题亟待解决。首先是可用材料有限,经常是‘有锅无米’,尤其是工业级的,导致目前有些产品的强度和质感等多有欠缺,可靠性不高、稳定性不好,特别是承重和耐用部件,而这些对军事装备又恰恰非常重要。比如,之前报道的3d打印手枪,发射几发子弹就会解体。f-22使用的有些3d打印部件刚性、韧度和硬度不达标,实际只能临时替代用,日后还需换上传统制造的部件。”王群说,“其次是打印精度不够,这也是军事装备的另一根本要求。当下3d打印机的送丝或喷挤速度都不很高,产品的分层切片厚度不可能很薄,造成产品表面较粗糙、精度不够、品质不稳定。最后是前期准备要求高,3d打印建模软件还不多,产品建模并不简单,技术要求高,时间精力投入多,尤其是对大型或复杂、特殊的产品。”

科技日报

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