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導(dǎo)讀：隨著3D打印技術(shù)能在數(shù)小時(shí)內(nèi)打印出復(fù)雜產(chǎn)品，這對軍火工業(yè)的改革產(chǎn)生了巨大的影響。2020年，全球軍費(fèi)開支估計(jì)約為1.83萬億美元（約11.86萬億人民幣），而且預(yù)計(jì)這一趨勢將會(huì)持續(xù)下去。隨著世界各地的國防領(lǐng)域所需彈藥、工具和機(jī)器零件的增加，增材制造是支持這一龐大而復(fù)雜的供應(yīng)鏈的有效途徑。
△軍事3D打印，為國防工業(yè)節(jié)省時(shí)間和金錢。
3D打印槍支、子彈和炸彈
槍支、子彈和大炮是軍隊(duì)武器庫中最基本的元素。2017年，有統(tǒng)計(jì)顯示全球軍隊(duì)中流通的槍支約有1.33億支，另外還有10萬支火炮武器。此外，每年生產(chǎn)大約100億顆子彈。從這個(gè)數(shù)字來看，就算射殺地球上的每個(gè)人，仍有近25億顆子彈備用。為了讓槍支和大炮發(fā)揮作用，需要精確、耐用的結(jié)構(gòu)。因此，槍管、子彈殼和大炮需要完美地校準(zhǔn)到毫米。此外，它們需要高拉伸強(qiáng)度以防止斷裂或裂紋，同時(shí)滿足耐熱性要求。子彈和大炮外殼尤其需要由廉價(jià)、堅(jiān)固的材料制成。
△每年生產(chǎn)100億顆子彈，短期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)短缺。
Titomic和Repkon在2021年4月簽署了一項(xiàng)協(xié)議，在澳大利亞建設(shè)3D打印設(shè)施。將Repkon的汽缸制造專業(yè)知識與Titomic的3D打印技術(shù)結(jié)合，增強(qiáng)澳大利亞國防制造工藝。總部位于土耳其的Repkon在金屬制造技術(shù)方面擁有近四年的經(jīng)驗(yàn)，例如熱旋壓、流動(dòng)成型和剪切成型，用于生產(chǎn)彈頭、槍管、彈殼和導(dǎo)彈體，以及其他設(shè)備。
△國防工業(yè)依賴高效、完美校準(zhǔn)的圓柱形金屬部件，無論是槍管還是子彈殼。圖片由Repkon提供。
Titomic總部位于澳大利亞，以冷噴涂增材制造工藝聞名。這項(xiàng)技術(shù)是與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）共同開發(fā)的，Titomic擁有工藝商業(yè)化的獨(dú)家權(quán)利，可以將鈦或鈦合金顆粒的冷氣動(dòng)態(tài)噴涂應(yīng)用到腳手架上，產(chǎn)生承重結(jié)構(gòu)。TitomicKinetic Fusion (TKF) 使用加壓氣體以超音速將金屬粉末沉積到基材上（既可以是構(gòu)建平臺(tái)，也可以是現(xiàn)有金屬零件）。在這樣的速度下，撞擊時(shí)釋放的高動(dòng)能使金屬顆粒發(fā)生塑性變形并將它們粘合在一個(gè)極其致密的層中。隨著更多金屬粒子的沉積，緊密結(jié)合的金屬零件層將會(huì)形成所需的形狀，幾乎不需要后處理。TKF工藝將材料損失減少了90%，同時(shí)將溫室氣體 (GHG) 排放量減少了60%，并且已在航空航天和國防領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如可用于飛行的航空部件和高性能火箭部件。
△TKF是“冷噴涂”增材制造工藝，不使用激光或其他熱源來熔化粉末形狀。所需能量都來自加壓氣體的動(dòng)能。圖片由Titomic提供。
TKF的構(gòu)建速度非常快，TKF 9000的構(gòu)建速度為每小時(shí)75kg，能夠生產(chǎn)最大體積為 9m x 3m x1.5m 的零件。產(chǎn)品具有高拉伸強(qiáng)度，孔隙率為0.3%。Titomic打印機(jī)使用各種不同的金屬和合金粉末，包括鈦、銅、鋼、鎳、Inconel 718 和Invar 36。
△TKF9000超大型工業(yè)3D打印機(jī)。圖片由Titomic提供。
通過TKF，Titomic開發(fā)了融合不同金屬的方法。例如，先打印鈦層，然后在上面打印鎳或鋼等其他金屬層，從而創(chuàng)建一個(gè)多金屬組件，利用所有金屬的優(yōu)點(diǎn)。TKF還可以制造以不同比例混合并在打印過程中融合的異質(zhì)合金。工藝能夠?qū)酆衔铩⑺芰虾吞沾晒ぞ哌M(jìn)行金屬化處理，提高耐用性，并以具有成本效益的方式及時(shí)賦予零件更多特性。無論是多金屬熔合、異質(zhì)合金還是金屬化，都可以在軍事領(lǐng)域（包括從火炮外殼、槍管到防彈衣和機(jī)器零件）應(yīng)用。
△TKF可以使用不同金屬打印單個(gè)組件。此部件具有純鈦部分、鈦和銅異質(zhì)合金部分以及鎳超合金部分。圖片由Titomic提供。
2020年2月，Titomic與全球國防制造商Composite Tech簽署了2250萬澳元（約1.1億人民幣）的協(xié)議，使用增材制造技術(shù)為北約提供國防產(chǎn)品。作為交易的一部分，將向Composite Tech提供兩臺(tái)TKF打印機(jī)。
冷噴涂工藝的其他軍事應(yīng)用
槍支、子彈和大炮并不是軍方需要的唯一關(guān)鍵裝備。機(jī)器零件、車輛零件、建筑工具和其他設(shè)備等對軍隊(duì)也至關(guān)重要。因此，停機(jī)時(shí)間、后勤失誤和延遲以及更換或維修成本對軍隊(duì)來說是一個(gè)嚴(yán)重的損害。考慮到軍事任務(wù)的時(shí)間敏感性，各個(gè)國防部門已經(jīng)開始探索將戰(zhàn)場和增材制造結(jié)合的可行性。例如，美國海軍已經(jīng)在與xerox合作，在船上3D打印機(jī)器零件，減少停機(jī)時(shí)間并保持高產(chǎn)量。
△美國海軍艦隊(duì)圖表。為龐大的移動(dòng)艦隊(duì)安裝新零件或更換零件不僅花費(fèi)過多，而且還會(huì)浪費(fèi)大量寶貴時(shí)間。圖片由NavalGraphics提供。
另一家澳大利亞增材制造公司SPEE3D，與Titomic一樣，使用氣室以3馬赫（約3675千米/小時(shí)）的速度噴射金屬粉末，使金屬塑性變形為致密層。這種冷噴涂工藝被稱為“Supersonic 3D沉積”，以這種方式打印的所有部件都經(jīng)久耐用且價(jià)格實(shí)惠，每公斤成本在40到100美元（約259到648人民幣）之間。SPEE3D打印機(jī)主要使用銅、不銹鋼、鋁合金和鋁青銅，它們具有眾多軍事應(yīng)用所需的抗拉強(qiáng)度、成本效益和耐腐蝕性。
△WarpSPEE3D戰(zhàn)場測試將持續(xù)12個(gè)月，以評估在各種地形下運(yùn)輸、裝卸、緊急部署和停止以及暴露在沙塵暴等惡劣環(huán)境中的能力。圖片由SPEE3D提供。
2020年6月，澳大利亞陸軍與SPEE3D達(dá)成了150萬美元（約972萬人民幣）的合作伙伴關(guān)系，管理3D打印機(jī)WarpSPEE3D的一系列戰(zhàn)場測試。打印機(jī)的構(gòu)建速度為每分鐘100克，可打印重達(dá)40 公斤的物體。兩個(gè)月之后，澳陸軍又在敵對的北部地區(qū)（NT）重新部署金屬3D打印機(jī)。使用升級后的機(jī)器，士兵們能夠在高達(dá)37℃的悶熱溫度下3D打印終端使用部件。
△在試驗(yàn)過程中，澳大利亞陸軍第1作戰(zhàn)服務(wù)支援營的士兵小組操作了3D打印機(jī)，圖片來自SPEE3D
2021年4月，SPEE3D還將3D打印技術(shù)與游戲制作相結(jié)合，發(fā)布了端到端金屬制造模擬器SPEE3DCraft。游戲開發(fā)人員將SPEE3D高速金屬3D打印技術(shù)的過程整合到了虛擬應(yīng)用程序中。模擬器中還顯示了使用SPEE3D技術(shù)的真實(shí)位置，包括澳大利亞內(nèi)陸地區(qū)（模擬戰(zhàn)場測試環(huán)境）。
△SPEE3DCraft
其他軍事3D打印應(yīng)用
增材制造的應(yīng)用范圍目前早已超出了打印工具或機(jī)器零件等基本功能。隨著3D打印軟件變得越來越復(fù)雜，設(shè)計(jì)和打印復(fù)雜零件為更多以前無法實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新鋪平了道路。例如，美國陸軍使用的夜視鏡的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)有一個(gè)選擇開關(guān)，用于打開或關(guān)閉護(hù)目鏡。如果損壞，則無法更換部件，必須丟棄整個(gè)夜視設(shè)備。增材制造使美國陸軍能夠以更復(fù)雜、更耐用的方式重新設(shè)計(jì)開關(guān)，不僅延長了夜視鏡的生命周期，而且確保部件可以輕松制造和更換。
△黑鷹直升機(jī)
為了增加整個(gè)機(jī)器的使用壽命，2020年10月，威奇托州立大學(xué) (WSU) 的研究人員宣布與美國陸軍合作開展黑鷹拆除項(xiàng)目。拆卸是指將大型機(jī)器（如車輛）拆解為最小部件并進(jìn)行記錄。在這種情況下，研究人員不僅會(huì)記錄黑鷹的2萬個(gè)組件，而且還會(huì)創(chuàng)建零件的數(shù)字模型。目前，黑鷹已經(jīng)為美國陸軍服役了近四年，通過3D打印，黑鷹能夠服役更長時(shí)間，而不被淘汰。
△ContinuousComposites碳纖維機(jī)翼翼梁的結(jié)構(gòu)性能證明達(dá)到設(shè)計(jì)極限載荷的160％
隨著時(shí)間推進(jìn)，許多軍事設(shè)備生產(chǎn)線早已停產(chǎn)，但是對于仍然能夠繼續(xù)使用的設(shè)備而言，替換零件就成了問題。因此，增材制造是低成本重新制造替代零件的好方法。在此過程還可以重新設(shè)計(jì)一些組件以提高性能，利用增材制造甚至可能使早已停產(chǎn)的設(shè)備重新被使用。例如美國ContinuousComposites開發(fā)的連續(xù)纖維打印技術(shù)CF3D深受美國空軍青睞，用于為空軍和航空公司打印機(jī)翼。為此，還獲得了價(jià)值75萬美元（約486萬人民幣）的美國國防部小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）第二階合同。
△美國應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)研究組織3D打印開發(fā)高超聲速生產(chǎn)加速器設(shè)施，以制造高超聲速飛行器和高超聲速導(dǎo)彈零件。
除了武器制造和機(jī)器維修，美國政府正在積極資助3D打印技術(shù)的研究。期望從根本上開發(fā)新技術(shù)、材料類別和工藝，使美國能夠保持領(lǐng)先地位。美國應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)研究組織（Astro America）計(jì)劃利用增材制造技術(shù)（3D打印）來開發(fā)高超聲速生產(chǎn)加速器設(shè)施（HPAF），以制造高超聲速飛行器和高超聲速導(dǎo)彈零件。
△BotFactory電子3D打印機(jī)設(shè)計(jì)圖
另外，美軍對于各種3D打印的開發(fā)和軟件領(lǐng)域也非常關(guān)注。Inkbit公司開發(fā)出的具有視覺反饋控制驅(qū)動(dòng)的3D打印平臺(tái)和BotFactory的電子3D打印機(jī)都為下一代軍事增材制造提供了新的可能性。2021年3月，克萊姆森大學(xué)（Clemson University）與美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）合作加快未來地面車輛、空中平臺(tái)和彈藥的新3D打印組件。他們將創(chuàng)建一個(gè)配備人工智能的“數(shù)字生命周期平臺(tái)”，幫助工程師更快生產(chǎn)，更便宜地設(shè)計(jì)、分析和制造多功能大型復(fù)雜幾何形狀部件。一旦建成，平臺(tái)將使工程師不必實(shí)際構(gòu)建就可以設(shè)計(jì)和測試新的打印組件。
△SIMBA獲得了美國空軍的撥款，用于開發(fā)區(qū)塊鏈支持的3D打印移動(dòng)設(shè)備。圖片由SIMBA提供。
數(shù)字化軍事3D打印技術(shù)也是一大重點(diǎn)項(xiàng)目。Senvol已經(jīng)在2021年3月從美國海軍和空軍處獲得更多資金，為增材制造機(jī)器學(xué)習(xí)軟件SenvolML開發(fā)更多的功能。而數(shù)據(jù)庫也是這家公司的一大亮點(diǎn)。其他相關(guān)的3D打印數(shù)據(jù)庫還有3Degrees的traceAM平臺(tái)。另外，從通信角度，美軍還將啟用區(qū)塊鏈3D打印技術(shù)進(jìn)入戰(zhàn)場。區(qū)塊鏈創(chuàng)新者SImple Blockchain Applications（SIMBA）于2021年4月14日獲得了美國小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）的第一階段資助，致力于使美空軍能夠使用由區(qū)塊鏈支持和保護(hù)的高級3D打印技術(shù)，在全球前線陣地和基地制造、測試和部署復(fù)雜的飛機(jī)零件和其他武器。相信未來還會(huì)有更多新的技術(shù)會(huì)被納入軍事3D打印領(lǐng)域，讓我們拭目以待。
參考閱讀：
1. 85% of the world’s 1 billion guns are in civilian hands
2. Is 3D Printing the Future of War?
3. 冷噴涂金屬3D打印武器組件！TITOMIC與REPKON合作
4. Fuse Dissimilar metals with Titomic Kinetic Fusion
5. 超音速3D打印商Titomic與國防制造商簽署價(jià)值2550萬澳元銷售協(xié)議
6. One Drop at a Time: Xerox 3D Prints with Liquid metal
7. SPEE3D Applications for the Army
8. 澳大利亞陸軍馱著SPEE3D金屬3D打印機(jī)上戰(zhàn)場，演習(xí)現(xiàn)場制造零件
9. 澳大利亞陸軍對升級版SPEE3D金屬3D打印機(jī)進(jìn)行第二輪實(shí)地測試
10. SPEE3D開發(fā)突破性金屬3D打印模擬器：SPEE3DCraft
11. 3D Printing: The Future Of Warfare? | Forces TV
12. 拆解黑鷹直升機(jī)：3D打印用于軍事武器的流程、要求、潛力
13. 美國政府資助3D打印技術(shù)在導(dǎo)彈制造等方面的運(yùn)用研究
14. 為美空軍和航空公司機(jī)翼展示連續(xù)纖維打印CF3D技術(shù)，Continuous Composites
15. 獲75萬美元合同！ContinuousComposites為美空軍制造翼梁和翼肋
16. 視覺反饋控制環(huán)氧樹脂噴射（VCJ）3D打印機(jī)！Inkbit新技術(shù)
17. 美國空軍攜手BotFactory開發(fā)下一代電子3D打印機(jī)
18. 3D打印彈藥和零件！克萊姆森大學(xué)研究人員與美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室合作
19. 美國空軍、海軍資助Senvol開發(fā)3D打印機(jī)器學(xué)習(xí)工具
20. 3Degrees獲美國空軍50000美元資助，開發(fā)增材制造數(shù)據(jù)庫
21. 美軍將啟用區(qū)塊鏈增材制造進(jìn)入戰(zhàn)場
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