深度解讀3D打印在美國軍事領域的應用(5)
這些國家制造創新研究所正在從事的研究與開發,涉及許多領域,這部分是受軍事需求的影響。研究所的設置由政府資助,也受到由學術界、政府、產業界成員組成的顧問委員會支持。比如,空軍研究實驗室通過參與項目評審和技術工作組,以及通過參與機構指示的項目,來支持這些研究所的工作。
▲NNMI計劃最初由奧巴馬總統在2012年提議，他在其2013財政年度預算中為此增撥了10億美元經費
AM技術的未來機遇和挑戰
打印零件目前仍然主要依靠材料的逐層堆積生成3D結構。然而,新的技術和使用領域不斷涌現。AM技術將來肯定會看到提供各種應用選擇的大量企業,既有能提供高產工業打印機的大公司,也有專精某項獨特應用的小型初創公司。在2016年,擠壓成形和選擇性激光燒結打印機的兩家龍頭制造商,即斯特塔西公司和3D系統公司,與惠普公司推出的新計算機輔助印刷技術和碳3D公司推出的連續液體界面生產技術進行競爭。這些新技術的主要優勢有,打印時間比現行打印機快10~100倍,并改善表面光潔度。起始原料在產品質量的整體改進中也起著不可或缺的作用。雖然丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)和聚乳酸(PLA)塑料絲狀體仍然被許多打印機廣泛使用,但可以利用的材料種類正在穩步增多,包括專門設計的復合材料、玻璃、陶瓷及導電油墨。新興打印機公司和材料供應商之間加劇的競爭促進了AM技術的應用,但隨著大規模采用AM技術,材料的成本將始終是一個擔憂。有些討論在思考如何利用本地資源與資產,例如使用回收材料,這種思考對于那些需要遠程運送物資來打印物件的邊遠地區,尤其相關。天然資源,比如沙、粘土、有機物殘骸、可采收的海洋物質等,也正被考慮用作可選材料。
3D打印出的結構尺寸越來越大,包括中國、意大利和美國,都已在制造低成本的模塊化建筑物。這種大型結構的逐層可調節建筑物,被比作千年古老的金字塔——不僅規模雄偉壯觀,而且含有復雜的內部通道。雖然這些結構的規模非常了不起,但是要使AM成為“改變游戲規則的革命性技術”,只有提高基本建筑塊體材料和打印機配置的功能性,才有希望促成最具革命性的軍事應用。一些前期工作已經證明,選取傳感器并置入打印結構來實現功能“嵌入”,是向更先進3D打印裝置邁進的一步。促成電子產品導熱和導電性的材料(例如跡線、焊料等)利用納米成分(例如銀和碳納米管)的獨特性能,正在迅速發展。配方的發展導致了呈現剪切稀化的“油墨”,可適用于能在市場買到的、使用注油筒式打印的3D打印機,也適用于由商用打印機改造的多打印頭、多材料印刷打印機。這些都是向功能性產品——即由單一系統堆積多種不同材料而制成——邁進的重要發展。
政府部門在推進技術方面,起著影響商業創新方向的作用。例如,在將下一代制造技術應用于多域國防戰略方面的實例,可能包括優化3D打印和嵌入電子部件、應變儀和其它傳感器,將其納入氣動結構和作戰人員的戰斗裝備中,用于監測環境、操作表現及磨損情況,并提供通信冗余。有些技術,如為了更適合女飛行員體型結構的座椅拓撲優化設計,可以根據3D打印的座椅原型來改進,結果會更舒適并減少事故。座椅、頭盔及其它裝置甚至可以為每個人量身定做,從而創造一個真正適合個人的飛行環境。隨著先進材料和打印機系統的出現,我們也能期望看到越來越多完全是打印出來的無人機和機器人執行危險任務。AM紡織品領域的發展,有助于制造出軍用的生物監測智能纖維織物,還可以打印按需設計的營養,作為軍人伙食替代品。大規模打印的結構,尤其是使用本土材料,適合用于救災和迅速建造軍營。
利用傳統上一直用于減材制造的軟件來制作原創3D打印設計,依然存在著挑戰�，F在,許多公司正在努力開發真正增材性質的軟件,即從白板一塊開始,而不是從全部填滿材料的板塊著手。隨著軟件的發展,生產原創設計需要的實際時間,會成為快速樣機制造的一個限制因素。解決方案之一是對一個相似物件進行掃描,形成文件,然后進行修改。或者,可以根據一個部件編號或掃描物體進入一個儲存高分辨率文件的數據庫,進行挑選。迪斯尼公司已經申請這樣一個“用于3D打印物體識別”的專利,即,利用一份低分辨率掃描文件,來匹配數據庫中的高分辨率復印件,并打印成物體。這種技術一旦廣泛流行,采辦過程就能被縮減到最簡單的形式,也會通過AM而變得遠更靈敏而快捷。比如,可以獲取打印機,并與有關材料及文件一起投放到戰地,在現場打印需要的戰車和系統。
政府和軍方努力中的一個首要挑戰,是有效地協調AM研發活動。日益上升的擔憂是:高度官僚性質的國家制造研究所和有關單位之間普遍缺少共識與協作,正導致一種各自為陣的零敲碎打性研發,造成努力重復和成本升高,也削弱AM帶來的最終利益。一種補救措施是,建議用嚴格但靈活的治理結構形式重組所有AM活動,比如,在政府各部門設置中央AM領導人,其職責包括協調AM戰略和政策,并向所有計劃實施AM的各部門組織發布指導。具體建議由國防部部長辦公廳,尤其是其屬下的新興能力與原型設計辦公室來主導這項改革和制定戰略愿景,作為一項解決方案。因此,要想形成真正的前進動力,需要隨著技術革新的發展步伐,及時改革AM努力的目前結構,將之推向更具前瞻性思維的態勢。我們不僅要把握并推進本文談到的美國空軍高層戰略文件中描繪的愿景,我們的領導人更需要破除各種虛浮宣傳,了解并展現關鍵的差距,以及彌補這些差距的技術挑戰。例如,在軍隊供應基地層次實施AM技術方面我們目前面臨著什么挑戰?此外,與整個AM領域的技術進步相比,軍事應用方面在近期可獲得哪些收益?
▲為了擴大AM技術在軍事領域的戰略應用，應該充分利用種類繁多的現有材料、日益發展的打印機技術和既定的各種計劃，發揮這三者聯結所產生的合力
結 語
為了擴大AM技術在軍事領域的戰略應用,應該充分利用種類繁多的現有材料、日益發展的打印機技術和既定的各種計劃(包括國家制造創新研究所),發揮這三者聯結所產生的合力,來實現全軍為長遠努力而規劃的愿景。我們的目標,是隨著材料的發展(例如導熱/導電油墨)和打印能力的提升(例如多材料打印),而推動AM技術從形式向功能發展,這種努力已初見成效,例如我們已制造出嵌入式傳感器。運用AM技術盡可能提升美軍的戰略和戰役機敏性,可為決策者提供多種可行方案,來應對國家面臨的多領域挑戰。將AM技術納入軍事應用,對物流和后勤支援意義廣泛深遠,因為它能形成快速實地制造能力。AM帶來的時間和成本節約效益,有可能徹底改變國防采辦流程,并重新界定系統產品的合格鑒定和認證過程。因此,必須大力開發AM技術應用,把握這個機會,提升實施多元多域國防使命的機敏能力;跨出這一步,將有助于保障美國保持全面優勢,從容應對國家安全面臨的各種新現威脅。
(責任編輯：admin)
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