增材制造與國防產(chǎn)品過時(shí)管理

據(jù)蘭德公司網(wǎng)站2015年10月12日報(bào)道，為幫助美國的政策制定者了解增材制造對于國防過時(shí)管理的意義，蘭德公司歐洲分部正在收集和整合制造業(yè)及國防產(chǎn)業(yè)研究人員的相關(guān)意見。

過時(shí)管理的挑戰(zhàn)性

過時(shí)的概念及其與國防的相關(guān)性

過時(shí)是指曾經(jīng)可用的原料、部件、程序、技能及/或軟件的不可用性，可能發(fā)生在設(shè)備全壽期的不同階段，尤其會影響到那些需要使用數(shù)十年的部件。部件的過時(shí)在國防及航天領(lǐng)域較為常見，這些領(lǐng)域的設(shè)備采辦需要較長的超前時(shí)間量，需要在數(shù)十年的服役期內(nèi)得到支持。某些設(shè)備70%～80%的電子元件在系統(tǒng)投入部署前就已過時(shí)。雖然過時(shí)問題常常與電子元件有關(guān)，但機(jī)械部件、原料、軟件、媒體支持，以及加工、試驗(yàn)設(shè)備、文件和技能也存在過時(shí)問題。這些領(lǐng)域之間存在很多相互依存關(guān)系，因此，應(yīng)對相關(guān)過時(shí)問題進(jìn)行整體管理，而不是分領(lǐng)域單獨(dú)管理。

過時(shí)成本

根據(jù)負(fù)責(zé)歐洲戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目的英國主要承包商處的數(shù)據(jù)，過時(shí)是該項(xiàng)目的第二大風(fēng)險(xiǎn)，且成本高昂。譬如，從未服役的“獵迷”MRA4海上偵察機(jī)（BAE系統(tǒng)公司研制）全壽命周期的總成本估計(jì)為7.8億英鎊（約11.4億美元）。美國海軍估計(jì)其每年與過時(shí)相關(guān)的成本約為7.5億美元。從軍事角度看，過時(shí)管理的實(shí)際成本在于：對于一個(gè)預(yù)算經(jīng)費(fèi)有限、競爭需求眾多且需要開支平衡的項(xiàng)目而言，過時(shí)管理開支過大會降低安全部署軍事設(shè)備的能力。

管理過時(shí)

在英國，一部防務(wù)系統(tǒng)的生命周期分為6個(gè)階段：概念、評估、驗(yàn)證、制造、服役和廢棄處理（CADMID周期）。過時(shí)問題可能出現(xiàn)在該生命周期的任一階段，因此需要從項(xiàng)目初期就予以考慮。過時(shí)管理主要有2種方案，一是主動緩解（Mitigation）式方案，尋求將過時(shí)問題的影響或出現(xiàn)可能性降到最小程度，主要在供給鏈、設(shè)計(jì)及規(guī)劃環(huán)節(jié)采取措施；二是被動解決式（Resolution）方案，尋求在過時(shí)問題出現(xiàn)時(shí)采取措施加以應(yīng)對，具體方案包括同部件更換，規(guī)格、裝配關(guān)系及功能（FFF）置換、仿真或重新設(shè)計(jì)。有效的過時(shí)管理不僅要建立在緩解或解決過時(shí)問題的能力上，也要建立在利用過時(shí)數(shù)據(jù)、后勤數(shù)據(jù)、技術(shù)預(yù)測、行業(yè)趨勢（需求預(yù)測）實(shí)施戰(zhàn)略管理以促成戰(zhàn)略規(guī)劃、生命周期優(yōu)化及長期業(yè)務(wù)發(fā)展的能力上。

防務(wù)系統(tǒng)中商用現(xiàn)成品的過時(shí)

包括美國在內(nèi)的世界各國政府日益推進(jìn)商用現(xiàn)成品在防務(wù)系統(tǒng)中的使用。商用現(xiàn)成品的生命周期通常為5年或少于5年，而一部防務(wù)系統(tǒng)的生命周期則通常超過20年。這意味著，如果按照傳統(tǒng)防務(wù)方案進(jìn)行商用現(xiàn)成品全壽期管理，過時(shí)可能成為一個(gè)重大問題。因此，需對商業(yè)現(xiàn)成品采取不同的全壽期支持戰(zhàn)略，包括根據(jù)其生命周期進(jìn)行更頻繁的設(shè)備更換。

創(chuàng)新性過時(shí)管理方案

增材制造可以應(yīng)用到過時(shí)管理方案的各個(gè)環(huán)節(jié)。譬如，在實(shí)施供給鏈環(huán)節(jié)的緩解式過時(shí)管理方案時(shí)，制造商、供應(yīng)商及設(shè)備用戶可能會簽署合作協(xié)議，確保使用增材制造技術(shù)制造出的是符合需求的部件。零部件的設(shè)計(jì)方案、規(guī)格、材料信息可以以數(shù)字形式保存，以利于未來幾年利用增材制造技術(shù)進(jìn)行再生產(chǎn)。不過，利用增材制造技術(shù)再生產(chǎn)符合需求的零部件也存在一定局限性：目前尚不清楚是否所有零部件，尤其是電子元器件，均能利用該技術(shù)進(jìn)行再生產(chǎn)。國防領(lǐng)域?qū)⒃霾闹圃旒夹g(shù)應(yīng)用于過時(shí)管理的例子可參見美國海軍“逆向工程：科技過時(shí)、維修與評估”（RESTORE）實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室使用3D掃描儀對一個(gè)部件進(jìn)行掃描，并將掃描圖像發(fā)送至一個(gè)“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”（CAD）程序，然后制造出一個(gè)現(xiàn)代化的替代部件，支持舊有系統(tǒng)的延壽計(jì)劃。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)制定了支持增材制造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括數(shù)據(jù)文件標(biāo)準(zhǔn)。使用這些標(biāo)準(zhǔn)存儲零部件相關(guān)數(shù)據(jù)可以為未來使用增材技術(shù)支持過時(shí)管理打下基礎(chǔ)。

美國防部及軍隊(duì)關(guān)于增材制造技術(shù)用于過時(shí)管理的研究

利用增材制造技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)維修

美國北卡羅來納州切里波因特海軍陸戰(zhàn)隊(duì)航空基地的“東部艦隊(duì)?wèi)?zhàn)備中心”（FRCE）有很多年代較久的飛機(jī)，比如AV-8B“鷂”式垂直起降攻擊機(jī)。這些飛機(jī)的某些零部件由于原始設(shè)備制造商（OEM）已不再生產(chǎn)或原始設(shè)備制造商本身已不復(fù)存在等原因，而面臨過時(shí)問題。美國海軍航空系統(tǒng)司令部的科研人員利用增材制造技術(shù)解決了這一過時(shí)問題。他們或者通過3D掃描技術(shù)對舊有零部件進(jìn)行逆向工程處理得出固態(tài)CAD模型，或者根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)出3D固態(tài)模型；然后使用熔積成型（FDM）法生成正確的尺寸和形狀工具，制造出所需零部件。相關(guān)維修與維護(hù)工作完全在室內(nèi)進(jìn)行。美軍多個(gè)“艦隊(duì)?wèi)?zhàn)備中心”已成功利用這種室內(nèi)增材制造能力，為AV-8B“鷂”式攻擊機(jī)、P-3“獵戶座”巡邏機(jī)、F/A-18A/D“大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)以及其他老舊飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了維修和零部件更換，其中某些維修工作僅用幾天時(shí)間就已完成，而使用傳統(tǒng)方法則需耗時(shí)3周甚至更長時(shí)間。

利用增材制造技術(shù)制備金屬部件及相關(guān)合格性鑒定

美國防部在利用熔積成型（FDM）、立體光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）設(shè)備進(jìn)行增材制造的同時(shí)，也將大量注意力放在常用金屬材料的增材制造上。美陸軍裝備研究發(fā)展與工程中心（ARDEC）一直在研究增材制造金屬合金的合格性鑒定及相關(guān)制備程序。為實(shí)現(xiàn)合格制成品所需可靠性，需要更好地了解設(shè)備的性能以及設(shè)備參數(shù)對制成品的影響。ARDEC的工程師們重點(diǎn)研究了直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）制備程序、設(shè)備參數(shù)的設(shè)定，以及利用DMLS法制造4340高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）的合格性鑒定。該團(tuán)隊(duì)所建立的材料和設(shè)備合格性鑒定方法將用于新DMLS及增材制造金屬系統(tǒng)的合格性鑒定，也將用于DMLS程序和金屬增材制造程序其他材料的合格性鑒定。

利用增材制造技術(shù)應(yīng)對零部件過時(shí)挑戰(zhàn)的可行性

時(shí)間方面的考慮

增材制造技術(shù)能使“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”（CAD）文件快速轉(zhuǎn)化成實(shí)際產(chǎn)品；也可以提供更大的設(shè)計(jì)靈活性，具有更強(qiáng)的定制能力；鑒于增材制造的制造過程可以地方化，其產(chǎn)品從制造到投入市場的總時(shí)間可以大幅縮短。

成本方面的考慮

與其他方案相比，增材制造方案除具有時(shí)間優(yōu)勢之外，也需具有成本競爭力。評估過時(shí)成本的一個(gè)重要難題是如何制定精確的成本指標(biāo)。成本指標(biāo)的確定有助于最具效費(fèi)比解決方案的選擇以及成本規(guī)避分析評估。根據(jù)相關(guān)成本指標(biāo)，要想加強(qiáng)增材制造方案的實(shí)施，可以在更廣泛范圍內(nèi)將增材制造作為一種“仿真”和“等效”技術(shù)，以此規(guī)避微幅和大幅度重新設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)，從而實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。

增材制造在過時(shí)管理中的潛在作用

增材制造程序相對穩(wěn)定，其成本大體上可預(yù)測，因此能降低過時(shí)解決方案的不確定性。利用增材制造技術(shù)可以應(yīng)對多種類型的過時(shí)問題，如機(jī)械部件、工具、試驗(yàn)設(shè)備的過時(shí)等，應(yīng)對電子元件過時(shí)問題則有待于增材制造能力的進(jìn)一步發(fā)展。利用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備支持，推動了考慮不同類型合同結(jié)構(gòu)的需要，也推動了考慮如何將這些合同轉(zhuǎn)化為更好產(chǎn)品生命周期管理的需要。甚至，增材制造技術(shù)提供了支持性方案的更多選項(xiàng)。移動的增材制造設(shè)施也能提供交付支持性合同的機(jī)會?？傊?，增材制造技術(shù)為解決各種過時(shí)問題提供了大量機(jī)會，而相關(guān)技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展。

主要發(fā)現(xiàn)

一是過時(shí)管理是國防領(lǐng)域一個(gè)重要挑戰(zhàn)，過時(shí)管理的成本甚至在設(shè)備服役前就可能增加。

二是增材制造可以用于國防過時(shí)管理。

三是增材制造有助于與機(jī)械部件相關(guān)的過時(shí)管理，但目前尚不清楚其對其他類型過時(shí)管理的影響程度。

四是為使增材制造技術(shù)更好應(yīng)用于國防過時(shí)管理，相關(guān)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注能制造更大范圍零部件的增材制造技術(shù)、增材制造產(chǎn)品的合格性鑒定，并確保增材制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)納入過時(shí)管理計(jì)劃的制定。