導(dǎo)讀:隨著3D打印技術(shù)能在數(shù)小時內(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,全球軍費開支估計約為1.83萬億美元(約11.86萬億人民幣),而且預(yù)計這一趨勢將會持續(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(tǒng)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(chǎn)大約100億顆子彈。從這個數(shù)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(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(chǎn)100億顆子彈,短期內(nèi)不會出現(xiàn)短缺。
Titomic和Repkon在2021年4月簽署了一項協(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,例如熱旋壓、流動成型和剪切成型,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)化的獨家權(quán)利,可以將鈦或鈦合金顆粒的冷氣動態(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,也可以是現(xiàn)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(fā)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(jié)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(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能。圖片由Titomic提供。
TKF的構(gòu)建速度非??欤琓KF 9000的構(gòu)建速度為每小時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(yè)3D打印機。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)建一個多金屬組件,利用所有金屬的優(yōu)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(zhì)合金。工藝能夠?qū)酆衔?、塑料和陶瓷工具進(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、槍管到防彈衣和機器零件)應(yīng)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(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TKF打印機。
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。機器零件、車輛零件、建筑工具和其他設(shè)備等對軍隊也至關(guān)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(yán)重的損害??紤]到軍事任務(wù)的時間敏感性,各個國防部門已經(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打印機器零件,減少停機時間并保持高產(chǎn)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(jīng)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(yīng)用所需的抗拉強度、成本效益和耐腐蝕性。
△WarpSPEE3D戰(zhàn)場測試將持續(xù)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(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WarpSPEE3D的一系列戰(zhàn)場測試。打印機的構(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。使用升級后的機器,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,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)計和打印復(fù)雜零件為更多以前無法實現(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)計有一個選擇開關(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
為了增加整個機器的使用壽命,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目。拆卸是指將大型機器(如車輛)拆解為最小部件并進(jìn)行記錄。在這種情況下,研究人員不僅會記錄黑鷹的2萬個組件,而且還會創(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間,而不被淘汰。
△ContinuousComposites碳纖維機翼翼梁的結(jié)構(gòu)性能證明達(dá)到設(shè)計極限載荷的160%
隨著時間推進(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(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)計劃利用增材制造技術(shù)(3D打?。﹣黹_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打印機設(shè)計圖
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(xué)(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(chuàng)建一個配備人工智能的“數(shù)字生命周期平臺”,幫助工程師更快生產(chǎn),更便宜地設(shè)計、分析和制造多功能大型復(fù)雜幾何形狀部件。一旦建成,平臺將使工程師不必實際構(gòu)建就可以設(shè)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(fā)區(qū)塊鏈支持的3D打印移動設(shè)備。圖片由SIMBA提供。
數(shù)字化軍事3D打印技術(shù)也是一大重點項目。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。其他相關(guān)的3D打印數(shù)據(jù)庫還有3Degrees的traceAM平臺。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)雜的飛機零件和其他武器。相信未來還會有更多新的技術(shù)會被納入軍事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打印機進(jìn)行第二輪實地測試
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: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)彈制造等方面的運用研究
14. 為美空軍和航空公司機翼展示連續(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!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
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驗室合作
19. 美國空軍、海軍資助Senvol開發(fā)3D打印機器學(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
南極熊15個3D打印微信小程序
1)3D打印專業(yè)院校庫;
2)全球3D打印產(chǎn)品庫;
3)全國3D打印人才招聘;
4)上百款3D打印鞋匯總;
5)生物醫(yī)療3D打??;
6)航空航天軍工能源3D打?。?/p>
7)汽車船舶交通3D打??;
8)3D打印技術(shù)前沿;
9)3D打印軟件算法;
10)3D打印行業(yè)數(shù)據(jù)報告;
11)3D打印公司投融資;
12)3D打印產(chǎn)業(yè)政策;
13)建筑3D打印;
14)3D打印展會、會議活動預(yù)告;
15)全球3D打印新品匯總
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