外軍武器裝備增材制造未來應(yīng)用方向分析

裝備發(fā)展部某中心 黨曉玲 王婧

近年來，增材制造技術(shù)呈現(xiàn)出持續(xù)快速發(fā)展態(tài)勢，軍事強國圍繞增材制造技術(shù)進行研究攻關(guān)，加速推進其在各類武器裝備研制與維修保障中的應(yīng)用。隨著制造工藝、適用材料、設(shè)備加工能力、技術(shù)標準等不斷優(yōu)化和完善，增材制造工藝將獲得更加廣泛的應(yīng)用，并擴展到更多的武器裝備及其關(guān)鍵零部件設(shè)計及研制生產(chǎn)中。綜合分析近年來增材制造技術(shù)的研究進展，以及外軍增材制造應(yīng)用的典型事例，可以預(yù)見，未來以下八個方面將取得顯著突破，成為武器裝備增材制造技術(shù)應(yīng)用的主要方向。

1 突破發(fā)動機等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計局限，改進武器裝備性能

隨著航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，發(fā)動機等復(fù)雜系統(tǒng)的性能要求越來越高，產(chǎn)品研發(fā)難度也將顯著增大，采用傳統(tǒng)設(shè)計制造模式難以滿足需求。增材制造技術(shù)在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計及制造方面的優(yōu)勢將使其在發(fā)動機等裝備研發(fā)生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。近年來，外軍已將增材制造技術(shù)用于火箭發(fā)動機、航空噴氣發(fā)動機等復(fù)雜系統(tǒng)的制造，不僅簡化了設(shè)計流程，并且實現(xiàn)了傳統(tǒng)制造手段無法滿足的設(shè)計要求，大幅縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，同時提升了武器裝備性能。

典型進展包括：（1）實現(xiàn)世界首臺電動泵液體火箭發(fā)動機快速低成本研制。2016年，美國火箭實驗室公司開發(fā)出世界首臺采用電動泵輸送推進劑的液體發(fā)動機——“盧瑟福”，其75%以上的部件采用增材制造，可3天完成生產(chǎn)。由于減少了燃氣渦輪泵系統(tǒng)中大量復(fù)雜的管路、閥門，及燃氣發(fā)生器等裝置，可大幅降低復(fù)雜度和制造成本，提高可靠性，便于快速批量生產(chǎn)；（2）實現(xiàn)火箭發(fā)動機噴嘴創(chuàng)新設(shè)計?；鸺l(fā)動機噴嘴的外部結(jié)構(gòu)看起來簡單，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。2018年，NASA馬歇爾太空飛行中心采用激光直接沉積金屬絲材的方法，實現(xiàn)噴嘴冷卻液通道的精確封閉，同時在適當?shù)奈恢眯纬芍谓Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了火箭發(fā)動機噴嘴的創(chuàng)新設(shè)計，將噴嘴的制造周期從幾個月縮短至幾個星期；（3）GE公司將增材制造技術(shù)作為發(fā)動機設(shè)計制造的重要手段。2017年，GE公司采用面向增材制造的設(shè)計和制造方式完成了T901-GE-900渦輪軸發(fā)動機樣件的生產(chǎn)，該發(fā)動機中使用了大量的增材制造零部件，其中一個零部件是由原來需要50多個子部件組裝而成的，因此大幅降低了T901發(fā)動機的重量，經(jīng)過測試，其性能也獲得了提升。

目前，該應(yīng)用方向主要開展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件設(shè)計、面向增材制造的設(shè)計、蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、增材制造可靠性提升等關(guān)鍵技術(shù)研究。未來，火箭發(fā)動機、航空發(fā)動機等復(fù)雜系統(tǒng)將大量采用增材制造設(shè)計和生產(chǎn)，并且更多的復(fù)雜系統(tǒng)將逐漸采用面向增材制造的設(shè)計，突破傳統(tǒng)設(shè)計局限，實現(xiàn)性能提升和創(chuàng)新式發(fā)展。

2 實現(xiàn)新型仿生/梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計，催生新概念武器裝備

仿生設(shè)計往往具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，例如說蜂窩結(jié)構(gòu)、復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)、纖維角度和方向多變結(jié)構(gòu)、弧面（波浪）型結(jié)構(gòu)、混合材料及梯度結(jié)構(gòu)等，通過傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)。增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計中的各種“微結(jié)構(gòu)”，在實現(xiàn)仿生設(shè)計、梯度設(shè)計等方面具有獨特的優(yōu)勢。近年來，美歐利用增材制造技術(shù)實現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計、梯度結(jié)構(gòu)制造等方面取得了多項成果。

典型進展包括：（1）開發(fā)仿生“傳感羽毛”改善飛機性能。英國BAE系統(tǒng)公司于2017年利用增材制造技術(shù)開發(fā)出“傳感羽毛”，能夠在飛機出現(xiàn)失速危險時提前預(yù)警，還可改變靠近飛機表面的氣流，有效減少機翼遇到的阻力，提升飛機速度，未來有望用于戰(zhàn)斗機等武器裝備中；（2）開發(fā)用于人體防護的仿海螺殼材料。2017年，麻省理工學院采用增材制造技術(shù)制造出仿海螺殼的工程材料，該材料的防裂紋擴展性能是最強基材的1.85倍，是傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料的1.7倍，非常適合用于制備抗沖擊防護頭盔或人體裝甲；（3）利用增材制造實現(xiàn)可變形軟體機器人。美國陸軍基于含有鐵磁微粒的彈性體復(fù)合材料，并對結(jié)構(gòu)、磁疇和磁場的信息進行編程，實現(xiàn)機器人的復(fù)雜形狀變化，從而完成爬行、翻滾、跳躍或抓取等“動作”，滿足美陸軍在機器人與自治系統(tǒng)研究需求；（4）實現(xiàn)多金屬混合火箭發(fā)動機點火裝置。NASA一直在制造和評估由多種金屬制成的增材制造火箭部件，并于2017年9月成功測試了首臺由鉻鎳鐵合金和銅合金3D打印制成的火箭發(fā)動機點火器，突破了多金屬增材制造部件的技術(shù)瓶頸。

目前，該應(yīng)用方向主要開展了智能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計、3D功能梯度材料開發(fā)、梯度結(jié)構(gòu)增材制造、多種材料集成等關(guān)鍵技術(shù)研究。未來，將有大量采用仿生結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計的新型武器裝備問世，例如仿生飛行器、仿生潛艇、仿生軟體機器人等。隨著新材料開發(fā)以及多材料集成技術(shù)的發(fā)展，增材制造技術(shù)將在催生新概念武器裝備中發(fā)揮越來越重要的作用。

3 將電子器件打印至武器裝備中，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化

傳統(tǒng)的電子元器件通常是堅硬的，而柔性電子器件以其獨特的柔性和延展性，在武器裝備中具有廣泛的應(yīng)用前景。采用增材制造技術(shù)，將超薄的導(dǎo)電油墨等材料直接打印到柔性基底材料上，可實現(xiàn)武器裝備的結(jié)構(gòu)功能一體化。近年來，外軍積極利用增材制造技術(shù)改進裝備設(shè)計，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。

典型進展包括：（1）將電子器件直接打印到武器裝備上，提高裝備性能。美國陸軍嘗試采用增材制造技術(shù)將電子器件打印至頭盔、戰(zhàn)服、無人機和火炮等裝備上。研究人員使用噴墨打印機和電流傳導(dǎo)油墨（如銀納米粒子）來打印電子器件，從而直接將傳感器打印至武器裝備或衣服中；（2）開發(fā)新型3D打印可穿戴天線，可用于戰(zhàn)場通信和監(jiān)控等。印度軍方開發(fā)出一種輕量、靈活和防水的3D打印天線，可以植入士兵們的軍服中，該設(shè)計（由環(huán)氧樹脂基板和薄銅膜組成）比傳統(tǒng)的天線模型要靈活得多；（3）利用3D打印實現(xiàn)發(fā)動機葉片的監(jiān)測功能。英國利用氣溶膠噴射技術(shù)將應(yīng)變及光學蠕變傳感器直接打印到噴氣發(fā)動機壓氣機葉片表面上，可用于監(jiān)測葉片情況，提高燃油效率，降低航空航天器維護成本。

目前，該應(yīng)用方向主要開展了結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計、增材制造新材料開發(fā)、多材料3D打印等關(guān)鍵技術(shù)研究。未來，雷達、天線、探測器等電子器件將更多采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)，而柔性電子器件的增材制造是未來發(fā)展的熱點。此外，還將實現(xiàn)可穿戴式傳感器、嵌入式電子器件的高效、低成本制造，大幅提升裝備性能。

4 增減材混合制造技術(shù)大幅提高武器裝備生產(chǎn)速度

金屬增材制造技術(shù)在加工精度上與傳統(tǒng)加工相比較低，因而受到極大限制。將增材制造與傳統(tǒng)加工工藝有機地集成起來，成形件加工完成后無需后處理即可直接投入使用，大幅縮短了制造時間和生產(chǎn)成本，還可拓寬原材料范圍，減少生產(chǎn)過程中切削液的使用，實現(xiàn)綠色加工。近年來，增減材混合加工工藝與裝備不斷涌現(xiàn)，在提高制造精度，增大制造尺寸、提高生產(chǎn)效率等方面取得多項進展。

典型進展包括：（1）洛馬公司建造世界首臺多機器人增減材混合制造系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個機器人串行工作，適用于多種材料，可實現(xiàn)包括增材制造、減材加工、工藝過程監(jiān)測、可視化檢測、熱測量等多種功能，能夠顯著提升大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造效率，降低制造成本；（2）美國Fabrisonic公司開發(fā)出能在現(xiàn)有超聲波增材制造設(shè)備中協(xié)同定位增減材單元的專利技術(shù)。該技術(shù)將超聲波增材制造焊接頭轉(zhuǎn)變?yōu)橐慌_標準數(shù)控銑床刀庫中的一個工具，通過協(xié)同定位數(shù)控銑床中的焊接和銑削功能進行零件加工制造，成形速度可達245.8cm3/h，同時可提高加工精度，增大零件制造尺寸；（3）GE公司大力推動增減材混合制造工藝發(fā)展。GE公司基于增減材混合制造工藝，對航空發(fā)動機燃料噴嘴等航空部件進行再設(shè)計，使其重量下降、零件數(shù)量減少、耐用度和功能性有所提高。

目前，該應(yīng)用方向開展的關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括：零部件再設(shè)計、增減材混合制造系統(tǒng)開發(fā)等。隨著航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軓?fù)雜零件需求日益突出，如何兼顧零件復(fù)雜成形和高精度加工將受到廣泛關(guān)注。未來，增減材混合制造系統(tǒng)將不斷涌現(xiàn)，極大提高了成形效率和質(zhì)量，將有力推動增材制造技術(shù)在批量化生產(chǎn)中的應(yīng)用，將武器裝備研制生產(chǎn)的周期縮短一半以上。

5 高溫合金增材制造成熟用于武器裝備核心部件高質(zhì)量制造

高溫合金通常的工作溫度超過600℃，在高溫下的強度、延性、抗蠕變性能以及抗腐蝕能力能強。對于高溫合金零部件，增材制造技術(shù)不僅能夠縮短生產(chǎn)時間、降低生產(chǎn)成本，還能優(yōu)先考慮功能設(shè)計，非常適用于制備航空發(fā)動機及燃氣輪機噴嘴、葉片、燃燒室等熱端部件，以及航天飛行器、火箭發(fā)動機等復(fù)雜零部件。近年來，高溫合金增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，已航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了多項應(yīng)用。

典型進展包括：（1）航空發(fā)動機采用鎳基合金增材制造零部件。賽峰集團eAPU60微型渦輪發(fā)動機采用了增材制造的鎳基合金噴嘴，并作為AW189型直升機的輔助動力裝置的核心部件之一；羅·羅公司在XWB-97發(fā)動機中采用了增材制造的鎳基合金前軸承座結(jié)構(gòu)件，有助于提升發(fā)動機性能；（2）增材制造鎳基合金用于火箭發(fā)動機部件。2017年，美國洛克達因公司與美國空軍合作開發(fā)了價值約1.15億美元的AR1火箭發(fā)動機，旨在取代俄制RD-180發(fā)動機。AR1火箭發(fā)動機采用增材制造一種高強度、耐燒蝕性好的鎳基超金屬合金材料，無需表面涂層；（3）空客部署高溫合金的大型工業(yè)級金屬增材制造系統(tǒng)。西亞基公司向空客交付的電子束增材制造（EBAM）110系統(tǒng)，能夠在打印過程中實時監(jiān)測和控制，可用于許多金屬和難熔合金，如鈦、鉭、鈮、鎢、鎳和不銹鋼等。

目前，高溫合金增材制造作為目前的研究熱點與前沿方向，目前主要圍繞鈦合金、鎳基高溫合金、鈷鉻高溫合金等材料開展了大量的技術(shù)與應(yīng)用研究。該應(yīng)用方向主要開展的關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括：開發(fā)模型、性能預(yù)測、高溫合金增材制造標準化等。未來，高溫合金增材制造將成熟用于航空發(fā)動機、軍用發(fā)動機、燃氣輪機等裝備，主要在燃氣式、渦輪葉片、渦輪盤等核心部件的制造中使用，有望大幅降低武器裝備的生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。

6 實現(xiàn)槍械等輕型武器裝備的直接制造

直接零部件制造是近年來增材制造技術(shù)應(yīng)用發(fā)展最快的領(lǐng)域，尤其是金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展，與傳統(tǒng)制造方法相比在提高生產(chǎn)效率，降低成本等方面有顯著優(yōu)勢，有助于實現(xiàn)武器裝備的快速制造及部署。近年來，美軍在采用增材制造技術(shù)進行槍械、輕型無人機等武器裝備的直接制造方面取得了多項突破。

典型進展包括：（1）快速制造出榴彈發(fā)射器。美國陸軍于2017年成功打印出榴彈發(fā)射器，其中榴彈發(fā)射管和受彈器采用直接金屬激光燒結(jié)鋁粉制造，觸發(fā)器、撞針等其它零部件采用增材制造4340合金鋼粉末，制造周期大幅縮短，未來有望在短短幾個小時或幾天內(nèi)實現(xiàn)對戰(zhàn)士武器的改進和修理；（2）直接制造用于偵查的蜂群微型無人機。這種微型無人機的機翼寬度僅約2.54厘米，可由F-16和F A/18戰(zhàn)機發(fā)射，也可由地面投擲或像彈弓一樣發(fā)射升空，它們能夠根據(jù)實際戰(zhàn)場情況發(fā)現(xiàn)隊友并組成“蜂群”隊形，可用于偵查等任務(wù)；（3）開發(fā)新型耐腐蝕兩棲無人系統(tǒng)。美國約翰·霍普金斯大學為海軍開發(fā)出一種名為“耐腐蝕空中隱蔽無人航海系統(tǒng)”的兩棲無人機，機身采用增材制造技術(shù)制造，具有構(gòu)件數(shù)量少、機身重量小、接縫數(shù)量少和耐腐蝕性強等優(yōu)點，可防止發(fā)動機進水，并可長時間浸沒水中，具有良好的隱蔽性。

目前，該應(yīng)用方向主要開展了建立材料、工藝和性能數(shù)據(jù)庫，提升設(shè)備傳感能力，制定相關(guān)規(guī)范和標準，提高增材制造產(chǎn)品質(zhì)量等關(guān)鍵技術(shù)研究。未來，隨著增材制造技術(shù)的不斷進步，有望實現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料的快速按需制造，并將成為武器裝備制造的一個重要手段，例如槍械、微小型無人機、衛(wèi)星、頭盔、戰(zhàn)斗部以及一些小型海上裝備將采用增材制造進行直接制造。

7 實現(xiàn)高價值關(guān)鍵件的修復(fù)，大幅節(jié)約維修成本

武器裝備關(guān)鍵件在工作中出現(xiàn)損傷，傳統(tǒng)修復(fù)手段和修復(fù)效果往往不能滿足作戰(zhàn)需求。增材制造為零部件維修提供了個性化、高效率的實現(xiàn)手段，能夠大幅降低成本，適用于戰(zhàn)場裝備的應(yīng)急維修保障。近年來，利用增材制造技術(shù)進行渦輪葉片等航空發(fā)動機核心部件的修復(fù)和再制造是軍事強國的發(fā)展重點。

典型進展包括：（1）采用增材制造進行飛機零部件修復(fù)。以色列空軍采用增材制造技術(shù)為服役30年的飛機生產(chǎn)替換零件，并已經(jīng)取得顯著成功，飛機性能比開始服役時更好，而且還會在進一步修復(fù)或召回之前延長使用約十年左右的時間；（2）在美國海軍不同類型、不同型號的海軍裝備上得以廣泛應(yīng)用。如艦艇主船體（如洛杉磯級核潛艇垂直發(fā)射筒壁（VLS tube）、航空母艦彈射器導(dǎo)軌蓋板等）、艦艇動力裝置（如弗吉尼亞級核潛艇推進器主軸、洛杉磯級核潛艇（SSN-688）推進軸密封面等）及水中兵器（魚雷汽缸缸體、連桿等），應(yīng)用成效顯著；（3）將增材制造技術(shù)用于坦克懸臂的修復(fù)。美國安妮斯頓陸軍基地采用激光凈成形（LENS）技術(shù)，對M1艾布拉姆斯坦克的補償懸臂的受損表面進行了修復(fù)。懸臂的替換成本是2000美元，而修理成本是750美元，成本節(jié)省超過60%。

目前，該應(yīng)用方向主要開展了快速檢測方法、增材制造修復(fù)技術(shù)、建立無損檢測和工藝控制方法等關(guān)鍵技術(shù)研究。未來，增材制造技術(shù)用于武器裝備及關(guān)鍵零部件修復(fù)方面將更加成熟，并成為武器裝備修復(fù)和維修的首選方法，能夠大幅降低后勤維護成本，同時節(jié)省人力和時間成本。

8 實現(xiàn)遠征戰(zhàn)地、海上作戰(zhàn)平臺、太空等現(xiàn)場按需制造

使用作戰(zhàn)基地的原生材料實現(xiàn)遠征戰(zhàn)地制造，可減少在遠征戰(zhàn)場所需的龐大物流鏈、節(jié)省寶貴資源，提升備戰(zhàn)水平和自給自足的能力，同時保護作戰(zhàn)人員的安全。近年來，現(xiàn)場按需制造受到軍事強國的高度重視，尤其是美軍正在開展多項研究，希望能夠直接在遠征戰(zhàn)地、海上以及太空等環(huán)境下進行增材制造，提升應(yīng)急響應(yīng)能力。

典型進展包括：（1）在遠征戰(zhàn)地現(xiàn)場按需制造方面。早在2003年伊拉克戰(zhàn)爭期間美國陸軍就將一個含有金屬增材制造模塊的“移動零件醫(yī)院”（MPH）部署在科威特，該設(shè)備累計加工制造了大約100000件戰(zhàn)損零部件的替換件以及特殊工具，節(jié)約成本39萬美元；2012-2013年，美國陸軍在阿富汗部署了兩個類似的現(xiàn)場制造維修設(shè)備“遠征移動實驗室”（ELM），其增材制造模塊可現(xiàn)場生產(chǎn)武器裝備塑料零部件； （2）在海上平臺現(xiàn)場按需制造方面。美國海軍近兩年積極發(fā)展艦船海上按需生產(chǎn)備件的能力，2014年美國海軍已成功將3D 打印機安裝在埃塞克斯號兩棲攻擊艦上，用于艦上現(xiàn)場制造油箱蓋、飛行甲板模型等小型零部件。美國海軍陸戰(zhàn)隊正在開發(fā)移動式增材制造實驗室（X-FAB），通過部署到艦船等不同環(huán)境中，為其提供遠征增材制造能力；（3）在太空現(xiàn)場按需制造方面。美國在2014年就提出了太空增材制造的想法，通過開發(fā)太空現(xiàn)場制造系統(tǒng)，可在軌生產(chǎn)全功能作戰(zhàn)空軍衛(wèi)星；同年， NASA在國際空間站成功安裝世界首臺零重力3D打印機，并打印了21個熱塑性樹脂零件用于設(shè)備性能驗證。歐洲也已將其首臺太空3D 打印機POP3D送至國際空間站。2018年，德國聯(lián)邦材料測試研究院成功實現(xiàn)零重力條件下金屬件的制造，取得重大突破。

目前，該應(yīng)用方向主要開展的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：戰(zhàn)場材料回收再利用、移動式增材制造系統(tǒng)開發(fā)、開發(fā)反求工程設(shè)計工具等。未來，增材制造技術(shù)將在海、陸、空戰(zhàn)場中獲得真正部署應(yīng)用，通過開發(fā)創(chuàng)新的敏捷制造車間，在現(xiàn)場按需打印替換件或?qū)崿F(xiàn)對零部件的修復(fù)來減少零件的采購和庫存，為作戰(zhàn)部隊提供更快且更加安全的后勤支援。