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美海军积极推进增材制造技术应用
2021-02-24 17:00:12 来源: 作者: 【 】 浏览:87次 评论:0

转自:蓝海星智库

作者:陕临喆 方楠

近年来,美海军高度重视增材制造在舰船领域的推广应用,旨在利用其技术优势,缩短武器装备研制周期、降低维护成本;同时,积极尝试舰上打印,以期大幅提升舰艇的后勤保障能力。

一、顶层规划


美海军通过制定增材制造技术不同阶段的发展目标、计划实施方式以及执行机构,指导增材制造技术在舰船领域的应用。

2017年,美海军发布“海军增材制造实施计划”,确定了增材制造技术的长期发展目标:①制定技术和质量认证标准,确保增材制造零部件的性能满足海军要求;②将数字化技术用于各个生产环节,扩大增材制造技术适用范围;③建立舰员技术培训和认证体系,安全、有效地使用增材制造设备;④发展增材制造相关业务(如合同制定、知识产权、法律指导等),加速增材制造技术的快速应用;⑤快速小批量生产,满足后勤保障要求。该计划由政府、学术界和工业界共同实施,并由负责研发、试验与鉴定的助理海军部长,海军作战部负责战备与后勤的副部长以及海军陆战队负责战备与后勤副司令组成的海军增材制造执行委员负责监督。

2018年,为推动增材制造技术的舰上应用,负责研发、试验与鉴定的助理海军部长签发了“海军增材制造计划”,相比2017年发布的“海军增材制造实施计划”新增一项发展目标——舰上打印,以增加海上保障能力。

二、技术应用


1、武器装备研制

增材制造技术大幅提高了关键构件的制造速度,缩短了新装备的研制周期并加速其实用化进程,有望改变传统制造技术拖累先进装备研制进度与性能水平的情况。

(1)船体

武器装备设计阶段需要先制造出原型进行评估,增材制造技术可以快速制作船体模型以供测试和验证,从而缩短舰艇装备的研发周期。

2017年7月,美国橡树岭国家实验室与海军颠覆性技术实验室合作,首次采用3D打印技术成功制作了长约9.14米的潜艇艇体模型,从概念设计到组装的全过程仅耗时4周,远少于传统潜艇所需的数年时间,并将成本降低90%;2019年5月,美海军用3D打印技术为海豹突击队制造了小型载人潜水器艇体,生产周期由原来的5个月缩短至数周,耗资从80万美元降至6万美元。

图1  3D打印潜艇艇体模型

(2)零部件

舰艇装备中的某些零部件结构复杂,并且对强度等性能有特殊要求,采用增材制造技术可大幅提高制造效率和产品性能。

在提高制造效率方面,为解决导弹连接器常出现的断裂问题及T-45“苍鹰”教练机的供氧问题,美海军分别于2016年和2017年利用3D打印技术制备出满足要求的铝合金连接器底壳和聚醚酰亚胺空气导管,其中连接器底壳的设计和制造时间缩短1/2,空气导管的制造仅耗时48小时。

图2  3D打印供氧面罩空气导管

在优化产品性能方面,美国海军空战中心于2020年4月采购12台LulzBOT TAZ型3D打印机,并升级了金属增材制造设备,以提高3D打印金属部件的性能;为满足航母对零部件的高性能要求,美海军海上系统司令部2018年在“杜鲁门”号航母上完成了增材制造排水过滤孔的多项性能测试,并于2019年批准用于“杜鲁门”号航母。

2、维修保障

舰船执行任务过程中,常因部分部件失效造成任务中断,增材制造技术可用于装备服役过程中失效零件的快速修复,大幅减少零部件更换时间,提高舰船的战备水平。

(1)小型部件维修

舰艇装备服役过程中,某些零部件失效后需要快速更换,使用增材制造技术可快速加工所需零部件。

2018年9月,“阿利•伯克”级导弹驱逐舰将采用3D打印技术制造的新螺栓用于替换飞机库舱门滚轮上的受损螺栓,节省了维修时间和成本。此外,美国海军近两年还利用增材制造技术为“斯坦尼斯”号航母(CVN 74)和“伊利湖”号巡洋舰成功修复商业宽带卫星终端旋转接头、保险丝盒等零部件,修复时间最短仅为1天,而传统更换流程通常需要数月时间。

(2)舰上按需打印

舰上搭载3D打印机可为舰艇在巡航过程中及时制造或维修零部件,能够有效缓解后勤保障压力。

2017年8月,美国海军陆战队计划将移动式增材制造实验室(X-FAB)部署到战场环境中,进行受损零件的快速维修与备件制造,缩减维修保障的后勤规模,降低对关键零部件后勤供应的依赖;2019年9月,美国海军水面战中心采购的Metal X打印机计划搭载于航母或其他军舰,有望将Inconel 625合金的生产成本减少85%。

图3  Metal X打印机

三、结语


目前3D打印技术在舰船领域主要用于小型零部件的制造,虽然能制备高强度和大型部件,但可靠性难以完全保障。未来美海军将加大3D打印大型金属部件的可靠性研究,以进一步提高造船效率,并进一步推动舰上打印发展。


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