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增材制造技术:开启装备“复制”新时代

发布日期:2017-09-12

在缺少设计图纸细节的情况下,助力老式“台风”战机一飞冲天的就是增材制造技术。相比于传统制造,增材制造不需要模具、刀具、夹具以及多道加工工序,只需要一台简单设备就可快速而精密地“自由制造”出各种形状复杂的奇特零件,可谓是现代加工制造领域的“颠覆者”。近年来,随着增材制造技术的突破性进展,世界军事大国纷纷将目光集中在这一重要领域。美国国防部、欧洲防务局等相继推出“增材制造路线图”或开展前沿性军事应用研究,欲将增材制造打造成未来战场作战装备维修保障领域的技术“大拿”,甚至有望成为军事装备发展变革的新型动力引擎。 

制图:余铠成

麦肯锡全球研究所发布的12项颠覆性技术中,增材制造技术与移动互联网、物联网、云技术和智能机器人等榜上有名,被视为第三次工业革命开始的重要标志——

增材制造:开启装备“复制”新时代

■张乃千

“复制再制造”时代到来

如今,提到军事科技创新,人们首先会想到颠覆性技术。颠覆性技术是指另辟蹊径、可对传统或主流技术产生颠覆性效果的先进技术,或许就是下一场高技术战争胜败结果的“颠覆者”。

人们习以为常的传统制造,最大的问题就在于其是“减材制造”。这种成熟于工业革命时期的制造方法,必须首先找到较大的材料物体,从较大的外形开始制备或修形,直至通过去除部分材料裁剪到理想形状。这种“不紧不慢”的制造流程,往往需要多次尝试才能得到合适的生产模型。同时,生产各种复杂零部件的工具也要花去大量时间。随着现代社会节奏的日益加快,它已不能适应装备制造的发展要求。

如今,可实现“复制再制造”的增材制造技术应运而生。增材制造技术是一种把各种材料添加到一起逐层叠加,以形成更大物体的技术。增材制造技术的出现,使得原本难以复制的高精度材料变得“得来全不费工夫”,甚至可以被批量复制生产。增材制造技术主要通过计算机建立三维数据模型,依靠材料累加成型,最终得到成型的三维物体材料。尤其是随着计算机软硬件技术的发展,增材制造的内涵与类型也不断发生变化,目前主要包括光固化打印、选择性激光打印、熔融沉积打印等。

从理论上讲,增材制造不仅制造速度快而且几乎无所不能。早在2014年,空中客车公司就宣称利用增材制造技术完成了飞机零部件及机身结构的制造工作。近年来,随着工艺过程不断优化,适用材料品种不断增加,增材制造技术的生产效率、产品精度和质量获得稳步提升,可以制造各类复合材料甚至器官的增材制造技术也已经出现,将在经济生活、工业生产和航空航天等领域发挥重要作用。与此同时,世界军事大国相继投入巨资开展增材制造技术研究,或将在未来军事装备发展领域形成独特的技术高地。

加速从实验室迈向战场

其实,增材制造技术并不是近几年的新兴产物,早已服务于国防军事等诸多领域。上世纪80年代,由美国国防部高级研究计划局支持的增材制造技术就诞生在3D系统公司的试验机床上,如今它正从实验室加速迈向战场。2012年5月,美国陆军在阿富汗部署了快速设备部署实验室,并首次实现了在战斗中使用3D打印技术。得益于增材制造技术的优异特性,美军在阿富汗遇到的装备维修和临时改进升级等问题,快速设备部署实验室都可在极短时间内开发出升级组件,大大提高了作战效率。

在增材制造领域,美国空军可谓驾轻就熟。为实现航空零部件的快速生产,美国空军进一步探索出增材制造在生产小型装备与降低装配需求等领域的具体方法。以F-18战斗机的喷气管为例,传统工艺制造的管道由16个部件组成,而如果使用增材制造技术,同一管道就可以作为一个整体来制作生产,将大大节省生产成本并提升产品质量。目前,美国空军已经通过增材制造技术实现了老旧装备的零部件“延寿”,甚至还将改变未来大型空军装备的生产设计方式。

尝到增材制造甜头的美国国防部更是下决心将增材制造技术推向战场。美国国防部已于2016年底发布由陆海空三军和国防后勤局全程参与的《增材制造路线图》,主要围绕装备维修保障、部署远征以及新系统部件采办3大类应用展开,从设计、材料、工艺和价值链4个方面为美军提升增材制造技术的战场“参与度”提供了框架。目前,美国国防部已经将增材制造作为“第三次抵消战略”的新兴技术,并有望成为未来战场后勤保障的重要技术手段。

无独有偶,欧洲防务局也于2017年4月开展“增材制造可行性研究与技术示范”项目,将增材制造确认为提升欧洲工业竞争力的关键技术之一,并加速推进其在战场关键区域的前沿军事部署。

为装备研制带来全新变革

增材制造技术代表着生产模式和先进制造技术发展的大趋势,使得产品生产逐步从大规模制造向定制化方向发展,能更好地满足现代社会和现代战争日益多样化的现实需求。尤其是增材制造技术所独有的快速机动性、可持续保障和低成本等优势,将在未来战场装备维修、后勤保障等领域发挥重要作用。

按照美国国防部《增材制造路线图》的构想,增材制造技术除生产“冷冰冰”的装备及零部件外,还将为未来战场带来许多闻所未闻的新鲜事物。比如,美国研究人员利用增材制造技术制造出了活体组织和器官,美国海军研究实验室发明的生物激光打印机已经获得专利批准,未来将在创伤性脑损伤、烧伤以及听力损伤等战场“常见病”领域发挥重要作用。

研究人员还利用增材制造技术在非传统表面上添加电子电路或天线等,以实现各种弯曲或黏附到任何物体表面的传感器研制,或将为军事物联网的发展增添一剂“猛料”。更令人惊奇的是,美国陆军正在开发一种利用增材制造技术完成的食物打印机,可为士兵提供丰富的菜品选择,进一步提升士兵的作战能力。

当然,除通过增材制造技术获取各类电子器件、传感器、防护装甲、医药品和食物外,实现航空航天、地面和海上各作战领域军事装备的快速发展,仍是增材制造走向军事应用的题中应有之义。增材制造还将大大推动智能化装备的发展进程,实现装备研制组织与结构一体化发展,尤其是由各类生物组织、复合材料等复杂结构完成的装备零部件制造。


未来,增材制造技术将显著改善装备制造流程,提高装备的战场适应性,不仅将为装备研发带来重大变革,而且会对战争形态和作战样式产生颠覆性影响。


来源:中国军网综合

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