深度解读3D打印在美国军事领域的应用(5)
这些国家制造创新研究所正在从事的研究与开发,涉及许多领域,这部分是受军事需求的影响。研究所的设置由政府资助,也受到由学术界、政府、产业界成员组成的顾问委员会支持。比如,空军研究实验室通过参与项目评审和技术工作组,以及通过参与机构指示的项目,来支持这些研究所的工作。
▲NNMI计划最初由奥巴马总统在2012年提议，他在其2013财政年度预算中为此增拨了10亿美元经费
AM技术的未来机遇和挑战
打印零件目前仍然主要依靠材料的逐层堆积生成3D结构。然而,新的技术和使用领域不断涌现。AM技术将来肯定会看到提供各种应用选择的大量企业,既有能提供高产工业打印机的大公司,也有专精某项独特应用的小型初创公司。在2016年,挤压成形和选择性激光烧结打印机的两家龙头制造商,即斯特塔西公司和3D系统公司,与惠普公司推出的新计算机辅助印刷技术和碳3D公司推出的连续液体界面生产技术进行竞争。这些新技术的主要优势有,打印时间比现行打印机快10~100倍,并改善表面光洁度。起始原料在产品质量的整体改进中也起着不可或缺的作用。虽然丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)和聚乳酸(PLA)塑料丝状体仍然被许多打印机广泛使用,但可以利用的材料种类正在稳步增多,包括专门设计的复合材料、玻璃、陶瓷及导电油墨。新兴打印机公司和材料供应商之间加剧的竞争促进了AM技术的应用,但随着大规模采用AM技术,材料的成本将始终是一个担忧。有些讨论在思考如何利用本地资源与资产,例如使用回收材料,这种思考对于那些需要远程运送物资来打印物件的边远地区,尤其相关。天然资源,比如沙、粘土、有机物残骸、可采收的海洋物质等,也正被考虑用作可选材料。
3D打印出的结构尺寸越来越大,包括中国、意大利和美国,都已在制造低成本的模块化建筑物。这种大型结构的逐层可调节建筑物,被比作千年古老的金字塔——不仅规模雄伟壮观,而且含有复杂的内部通道。虽然这些结构的规模非常了不起,但是要使AM成为“改变游戏规则的革命性技术”,只有提高基本建筑块体材料和打印机配置的功能性,才有希望促成最具革命性的军事应用。一些前期工作已经证明,选取传感器并置入打印结构来实现功能“嵌入”,是向更先进3D打印装置迈进的一步。促成电子产品导热和导电性的材料(例如迹线、焊料等)利用纳米成分(例如银和碳纳米管)的独特性能,正在迅速发展。配方的发展导致了呈现剪切稀化的“油墨”,可适用于能在市场买到的、使用注油筒式打印的3D打印机,也适用于由商用打印机改造的多打印头、多材料印刷打印机。这些都是向功能性产品——即由单一系统堆积多种不同材料而制成——迈进的重要发展。
政府部门在推进技术方面,起着影响商业创新方向的作用。例如,在将下一代制造技术应用于多域国防战略方面的实例,可能包括优化3D打印和嵌入电子部件、应变仪和其它传感器,将其纳入气动结构和作战人员的战斗装备中,用于监测环境、操作表现及磨损情况,并提供通信冗余。有些技术,如为了更适合女飞行员体型结构的座椅拓扑优化设计,可以根据3D打印的座椅原型来改进,结果会更舒适并减少事故。座椅、头盔及其它装置甚至可以为每个人量身定做,从而创造一个真正适合个人的飞行环境。随着先进材料和打印机系统的出现,我们也能期望看到越来越多完全是打印出来的无人机和机器人执行危险任务。AM纺织品领域的发展,有助于制造出军用的生物监测智能纤维织物,还可以打印按需设计的营养,作为军人伙食替代品。大规模打印的结构,尤其是使用本土材料,适合用于救灾和迅速建造军营。
利用传统上一直用于减材制造的软件来制作原创3D打印设计,依然存在着挑战。现在,许多公司正在努力开发真正增材性质的软件,即从白板一块开始,而不是从全部填满材料的板块着手。随着软件的发展,生产原创设计需要的实际时间,会成为快速样机制造的一个限制因素。解决方案之一是对一个相似物件进行扫描,形成文件,然后进行修改。或者,可以根据一个部件编号或扫描物体进入一个储存高分辨率文件的数据库,进行挑选。迪斯尼公司已经申请这样一个“用于3D打印物体识别”的专利,即,利用一份低分辨率扫描文件,来匹配数据库中的高分辨率复印件,并打印成物体。这种技术一旦广泛流行,采办过程就能被缩减到最简单的形式,也会通过AM而变得远更灵敏而快捷。比如,可以获取打印机,并与有关材料及文件一起投放到战地,在现场打印需要的战车和系统。
政府和军方努力中的一个首要挑战,是有效地协调AM研发活动。日益上升的担忧是:高度官僚性质的国家制造研究所和有关单位之间普遍缺少共识与协作,正导致一种各自为阵的零敲碎打性研发,造成努力重复和成本升高,也削弱AM带来的最终利益。一种补救措施是,建议用严格但灵活的治理结构形式重组所有AM活动,比如,在政府各部门设置中央AM领导人,其职责包括协调AM战略和政策,并向所有计划实施AM的各部门组织发布指导。具体建议由国防部部长办公厅,尤其是其属下的新兴能力与原型设计办公室来主导这项改革和制定战略愿景,作为一项解决方案。因此,要想形成真正的前进动力,需要随着技术革新的发展步伐,及时改革AM努力的目前结构,将之推向更具前瞻性思维的态势。我们不仅要把握并推进本文谈到的美国空军高层战略文件中描绘的愿景,我们的领导人更需要破除各种虚浮宣传,了解并展现关键的差距,以及弥补这些差距的技术挑战。例如,在军队供应基地层次实施AM技术方面我们目前面临着什么挑战?此外,与整个AM领域的技术进步相比,军事应用方面在近期可获得哪些收益?
▲为了扩大AM技术在军事领域的战略应用，应该充分利用种类繁多的现有材料、日益发展的打印机技术和既定的各种计划，发挥这三者联结所产生的合力
结 语
为了扩大AM技术在军事领域的战略应用,应该充分利用种类繁多的现有材料、日益发展的打印机技术和既定的各种计划(包括国家制造创新研究所),发挥这三者联结所产生的合力,来实现全军为长远努力而规划的愿景。我们的目标,是随着材料的发展(例如导热/导电油墨)和打印能力的提升(例如多材料打印),而推动AM技术从形式向功能发展,这种努力已初见成效,例如我们已制造出嵌入式传感器。运用AM技术尽可能提升美军的战略和战役机敏性,可为决策者提供多种可行方案,来应对国家面临的多领域挑战。将AM技术纳入军事应用,对物流和后勤支援意义广泛深远,因为它能形成快速实地制造能力。AM带来的时间和成本节约效益,有可能彻底改变国防采办流程,并重新界定系统产品的合格鉴定和认证过程。因此,必须大力开发AM技术应用,把握这个机会,提升实施多元多域国防使命的机敏能力;跨出这一步,将有助于保障美国保持全面优势,从容应对国家安全面临的各种新现威胁。
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