導讀：隨著3D打印技術能在數小時內打印出復雜產品，這對軍火工業的改革產生了巨大的影響。2020年，全球軍費開支估計約為1.83萬億美元（約11.86萬億人民幣），而且預計這一趨勢將會持續下去。隨著世界各地的國防領域所需彈藥、工具和機器零件的增加，增材制造是支持這一龐大而復雜的供應鏈的有效途徑。
△軍事3D打印，為國防工業節省時間和金錢。
3D打印槍支、子彈和炸彈
槍支、子彈和大炮是軍隊武器庫中最基本的元素。2017年，有統計顯示全球軍隊中流通的槍支約有1.33億支，另外還有10萬支火炮武器。此外，每年生產大約100億顆子彈。從這個數字來看，就算射殺地球上的每個人，仍有近25億顆子彈備用。為了讓槍支和大炮發揮作用，需要精確、耐用的結構。因此，槍管、子彈殼和大炮需要完美地校準到毫米。此外，它們需要高拉伸強度以防止斷裂或裂紋，同時滿足耐熱性要求。子彈和大炮外殼尤其需要由廉價、堅固的材料制成。
△每年生產100億顆子彈，短期內不會出現短缺。
Titomic和Repkon在2021年4月簽署了一項協議，在澳大利亞建設3D打印設施。將Repkon的汽缸制造專業知識與Titomic的3D打印技術結合，增強澳大利亞國防制造工藝。總部位于土耳其的Repkon在金屬制造技術方面擁有近四年的經驗，例如熱旋壓、流動成型和剪切成型，用于生產彈頭、槍管、彈殼和導彈體，以及其他設備。
△國防工業依賴高效、完美校準的圓柱形金屬部件，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。這項技術是與澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）共同開發的，Titomic擁有工藝商業化的獨家權利，可以將鈦或鈦合金顆粒的冷氣動態噴涂應用到腳手架上，產生承重結構。TitomicKinetic Fusion (TKF) 使用加壓氣體以超音速將金屬粉末沉積到基材上（既可以是構建平臺，也可以是現有金屬零件）。在這樣的速度下，撞擊時釋放的高動能使金屬顆粒發生塑性變形并將它們粘合在一個極其致密的層中。隨著更多金屬粒子的沉積，緊密結合的金屬零件層將會形成所需的形狀，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域得到廣泛應用，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能。圖片由Titomic提供。
TKF的構建速度非常快，TKF 9000的構建速度為每小時75kg，能夠生產最大體積為 9m x 3m x1.5m 的零件。產品具有高拉伸強度，孔隙率為0.3%。Titomic打印機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3D打印機。圖片由Titomic提供。
通過TKF，Titomic開發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，從而創建一個多金屬組件，利用所有金屬的優點。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合金。工藝能夠對聚合物、塑料和陶瓷工具進行金屬化處理，提高耐用性，并以具有成本效益的方式及時賦予零件更多特性。無論是多金屬熔合、異質合金還是金屬化，都可以在軍事領域（包括從火炮外殼、槍管到防彈衣和機器零件）應用。
△TKF可以使用不同金屬打印單個組件。此部件具有純鈦部分、鈦和銅異質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）的協議，使用增材制造技術為北約提供國防產品。作為交易的一部分，將向Composite Tech提供兩臺TKF打印機。
冷噴涂工藝的其他軍事應用
槍支、子彈和大炮并不是軍方需要的唯一關鍵裝備。機器零件、車輛零件、建筑工具和其他設備等對軍隊也至關重要。因此，停機時間、后勤失誤和延遲以及更換或維修成本對軍隊來說是一個嚴重的損害。考慮到軍事任務的時間敏感性，各個國防部門已經開始探索將戰場和增材制造結合的可行性。例如，美國海軍已經在與xerox合作，在船上3D打印機器零件，減少停機時間并保持高產量。
△美國海軍艦隊圖表。為龐大的移動艦隊安裝新零件或更換零件不僅花費過多，而且還會浪費大量寶貴時間。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）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久耐用且價格實惠，每公斤成本在40到100美元（約259到648人民幣）之間。SPEE3D打印機主要使用銅、不銹鋼、鋁合金和鋁青銅，它們具有眾多軍事應用所需的抗拉強度、成本效益和耐腐蝕性。
△WarpSPEE3D戰場測試將持續12個月，以評估在各種地形下運輸、裝卸、緊急部署和停止以及暴露在沙塵暴等惡劣環境中的能力。圖片由SPEE3D提供。
2020年6月，澳大利亞陸軍與SPEE3D達成了150萬美元（約972萬人民幣）的合作伙伴關系，管理3D打印機WarpSPEE3D的一系列戰場測試。打印機的構建速度為每分鐘100克，可打印重達40 公斤的物體。兩個月之后，澳陸軍又在敵對的北部地區（NT）重新部署金屬3D打印機。使用升級后的機器，士兵們能夠在高達37℃的悶熱溫度下3D打印終端使用部件。
△在試驗過程中，澳大利亞陸軍第1作戰服務支援營的士兵小組操作了3D打印機，圖片來自SPEE3D
2021年4月，SPEE3D還將3D打印技術與游戲制作相結合，發布了端到端金屬制造模擬器SPEE3DCraft。游戲開發人員將SPEE3D高速金屬3D打印技術的過程整合到了虛擬應用程序中。模擬器中還顯示了使用SPEE3D技術的真實位置，包括澳大利亞內陸地區（模擬戰場測試環境）。
△SPEE3DCraft
其他軍事3D打印應用
增材制造的應用范圍目前早已超出了打印工具或機器零件等基本功能。隨著3D打印軟件變得越來越復雜，設計和打印復雜零件為更多以前無法實現的創新鋪平了道路。例如，美國陸軍使用的夜視鏡的標準設計有一個選擇開關，用于打開或關閉護目鏡。如果損壞，則無法更換部件，必須丟棄整個夜視設備。增材制造使美國陸軍能夠以更復雜、更耐用的方式重新設計開關，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
為了增加整個機器的使用壽命，2020年10月，威奇托州立大學 (WSU) 的研究人員宣布與美國陸軍合作開展黑鷹拆除項目。拆卸是指將大型機器（如車輛）拆解為最小部件并進行記錄。在這種情況下，研究人員不僅會記錄黑鷹的2萬個組件，而且還會創建零件的數字模型。目前，黑鷹已經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間，而不被淘汰。
△ContinuousComposites碳纖維機翼翼梁的結構性能證明達到設計極限載荷的160％
隨著時間推進，許多軍事設備生產線早已停產，但是對于仍然能夠繼續使用的設備而言，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計一些組件以提高性能，利用增材制造甚至可能使早已停產的設備重新被使用。例如美國ContinuousComposites開發的連續纖維打印技術CF3D深受美國空軍青睞，用于為空軍和航空公司打印機翼。為此，還獲得了價值75萬美元（約486萬人民幣）的美國國防部小型企業創新研究（SBIR）第二階合同。
△美國應用科學與技術研究組織3D打印開發高超聲速生產加速器設施，以制造高超聲速飛行器和高超聲速導彈零件。
除了武器制造和機器維修，美國政府正在積極資助3D打印技術的研究。期望從根本上開發新技術、材料類別和工藝，使美國能夠保持領先地位。美國應用科學與技術研究組織（Astro America）計劃利用增材制造技術（3D打印）來開發高超聲速生產加速器設施（HPAF），以制造高超聲速飛行器和高超聲速導彈零件。
△BotFactory電子3D打印機設計圖
另外，美軍對于各種3D打印的開發和軟件領域也非常關注。Inkbit公司開發出的具有視覺反饋控制驅動的3D打印平臺和BotFactory的電子3D打印機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（Clemson University）與美國陸軍研究實驗室（ARL）合作加快未來地面車輛、空中平臺和彈藥的新3D打印組件。他們將創建一個配備人工智能的“數字生命周期平臺”，幫助工程師更快生產，更便宜地設計、分析和制造多功能大型復雜幾何形狀部件。一旦建成，平臺將使工程師不必實際構建就可以設計和測試新的打印組件。
△SIMBA獲得了美國空軍的撥款，用于開發區塊鏈支持的3D打印移動設備。圖片由SIMBA提供。
數字化軍事3D打印技術也是一大重點項目。Senvol已經在2021年3月從美國海軍和空軍處獲得更多資金，為增材制造機器學習軟件SenvolML開發更多的功能。而數據庫也是這家公司的一大亮點。其他相關的3D打印數據庫還有3Degrees的traceAM平臺。另外，從通信角度，美軍還將啟用區塊鏈3D打印技術進入戰場。區塊鏈創新者SImple Blockchain Applications（SIMBA）于2021年4月14日獲得了美國小型企業創新研究（SBIR）的第一階段資助，致力于使美空軍能夠使用由區塊鏈支持和保護的高級3D打印技術，在全球前線陣地和基地制造、測試和部署復雜的飛機零件和其他武器。相信未來還會有更多新的技術會被納入軍事3D打印領域，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值2550萬澳元銷售協議
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打印機上戰場，演習現場制造零件
9. 澳大利亞陸軍對升級版SPEE3D金屬3D打印機進行第二輪實地測試
10. SPEE3D開發突破性金屬3D打印模擬器：SPEE3DCraft
11. 3D Printing: The Future Of Warfare? | Forces TV
12. 拆解黑鷹直升機：3D打印用于軍事武器的流程、要求、潛力
13. 美國政府資助3D打印技術在導彈制造等方面的運用研究
14. 為美空軍和航空公司機翼展示連續纖維打印CF3D技術，Continuous Composites
15. 獲75萬美元合同！ContinuousComposites為美空軍制造翼梁和翼肋
16. 視覺反饋控制環氧樹脂噴射（VCJ）3D打印機！Inkbit新技術
17. 美國空軍攜手BotFactory開發下一代電子3D打印機
18. 3D打印彈藥和零件！克萊姆森大學研究人員與美國陸軍研究實驗室合作
19. 美國空軍、海軍資助Senvol開發3D打印機器學習工具
20. 3Degrees獲美國空軍50000美元資助，開發增材制造數據庫
21. 美軍將啟用區塊鏈增材制造進入戰場
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