美國防部推動(dòng)增材制造在零部件維修保障中的應(yīng)用

李良琦

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二一○研究所，北京，100089）

0 引言

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，武器裝備結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、對(duì)作戰(zhàn)的快速響應(yīng)能力需求更加迫切，傳統(tǒng)的維修保障方式難以適應(yīng)戰(zhàn)爭(zhēng)新要求。近年來，增材制造技術(shù)發(fā)展迅猛，對(duì)武器裝備設(shè)計(jì)、制造、維修模式產(chǎn)生重要影響，受到美國的高度重視，并將其列為未來武器裝備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，而維修保障是其重要應(yīng)用方向之一。2016年，美國國防部發(fā)布了《增材制造路線圖》，面向維修與保障、部署與遠(yuǎn)征、新部件/系統(tǒng)3大領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用部署。美國參議院發(fā)布的《2017財(cái)年國防授權(quán)法案》中提出，美國防部應(yīng)大力推進(jìn)增材制造能力發(fā)展，以提高作戰(zhàn)維護(hù)保障的效率及可持續(xù)性。該報(bào)告也將國防部對(duì)增材制造的關(guān)注重點(diǎn)從研發(fā)轉(zhuǎn)移到維護(hù)保障。

2019年10月，美國防部對(duì)利用增材制造技術(shù)進(jìn)行零部件維修保障情況開展了全面審查，通過對(duì)國防各部門利用增材制造技術(shù)開展武器裝備維修保障 工作的執(zhí)行情況、應(yīng)用成效進(jìn)行了評(píng)審，并對(duì)后續(xù)發(fā)展提出建議。

1 國防多部門協(xié)作推進(jìn)增材制造部署工作

近年來，美國逐步形成從國家、國防部和各軍種層面的增材制造研發(fā)應(yīng)用工作體系。在國家層面，美國設(shè)有國家科學(xué)制造中心（NCMS），負(fù)責(zé)增材制造技術(shù)的開發(fā)和技術(shù)規(guī)劃，自2015年起開始研究增材制造在裝備維護(hù)保障方面的應(yīng)用。在國防部層面，設(shè)有國防部增材制造維護(hù)運(yùn)營工作組（AMMO），它與工業(yè)部門合作，制定國防部綜合戰(zhàn)略愿景，推動(dòng)增材制造技術(shù)的實(shí)施，為國防部裝備維修企業(yè)提供支持。在軍兵種層面，陸?？哲娨捕贾贫烁髯缘脑霾闹圃旒夹g(shù)發(fā)展路線圖和研發(fā)及部署應(yīng)用計(jì)劃。

1.1 國防部長辦公室負(fù)責(zé)國防部增材制造戰(zhàn)略部署

2018年，負(fù)責(zé)采辦、技術(shù)和后勤的國防部副部長辦公室重組，分為負(fù)責(zé)研究與工程的國防部副部長（USD（R&E））和負(fù)責(zé)采辦與保障的國防部副部長（USD（A&S））。目前，負(fù)責(zé)研究與工程的國防部副部長（USD（R&E））和負(fù)責(zé)采辦與保障的國防部副部長（USD（A&S））共同主管國防部增材制造的部署實(shí)施。其中，USD（R&E）負(fù)責(zé)確保國防部增材制造投資與國防部優(yōu)先事項(xiàng)保持一致，并領(lǐng)導(dǎo)增材制造聯(lián)合指導(dǎo)小組（JAMSG）和增材制造聯(lián)合工作組（JAMWG），在整個(gè)國防部各部門中發(fā)布關(guān)于國防部增材制造工作的信息，為增材制造聯(lián)合投資戰(zhàn)略提供建議。USD（A&S）負(fù)責(zé)審查和制定與采辦相關(guān)的增材制造政策，以及監(jiān)督審查增材制造維護(hù)保障政策的實(shí)施情況，領(lǐng)導(dǎo)美國國防部增材制造維護(hù)運(yùn)營工作小組。

圖1 R-FAB移動(dòng)式設(shè)施

圖2 AH-64D主旋翼固定支架

1.2 各軍種積極制定各自的增材制造戰(zhàn)略計(jì)劃

陸軍裝備司令部是陸軍實(shí)施增材制造的主管部門。2018年11月，美國陸軍裝備司令部司令，陸軍負(fù)責(zé)采辦、后勤和技術(shù)的助理部長簽署了陸軍增材制造行動(dòng)計(jì)劃，目的是制定總體戰(zhàn)略和框架，以集成陸軍增材制造能力，實(shí)現(xiàn)陸軍增材制造能力同步，確保和增強(qiáng)作戰(zhàn)部隊(duì)的能力。

負(fù)責(zé)艦隊(duì)?wèi)?zhàn)備和后勤的海軍作戰(zhàn)部副部長主管增材制造在海軍維護(hù)保障中的部署實(shí)施。2017年5月，美國海軍研究、發(fā)展、試驗(yàn)與評(píng)估助理部長辦公室，負(fù)責(zé)艦隊(duì)?wèi)?zhàn)備與后勤的海軍作戰(zhàn)部長辦公室，以及海軍陸戰(zhàn)隊(duì)裝備與后勤司令部等多個(gè)部門發(fā)布了《海軍增材制造實(shí)施計(jì)劃（2.0版）》，明確將提高戰(zhàn)備和作戰(zhàn)能力作為實(shí)施增材制造的目標(biāo)。

空軍生命周期管理中心產(chǎn)品支持工程部是空軍實(shí)施增材制造的主管部門。該部門在2016年10月制定了戰(zhàn)略計(jì)劃，提出將采用標(biāo)準(zhǔn)流程和設(shè)備部署增材制造?？哲妼?duì)未來的愿景是能夠隨時(shí)隨地、利用各種設(shè)備按需生產(chǎn)零部件。

美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)負(fù)責(zé)設(shè)施與后勤事務(wù)的副司令辦公室主管海軍陸戰(zhàn)隊(duì)增材制造的部署實(shí)施。該辦公室發(fā)布了實(shí)施增材制造的指南和政策，并于2018年1月提出將增材制造部署到整個(gè)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)中。海軍陸戰(zhàn)隊(duì)系統(tǒng)司令部負(fù)責(zé)跟蹤和記錄使用增材制造生產(chǎn)的設(shè)備和物品，并建立數(shù)字資源庫，使海軍陸戰(zhàn)隊(duì)可以共享他們的增材制造信息。

1.3 國防后勤局為美軍各部門提供支持

國防后勤局計(jì)劃使用增材制造來解決與老舊部件維修相關(guān)的采辦問題，并致力于增材制造數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，及其在軍方各單位間的共享。國防后勤局后勤作戰(zhàn)部門制定了相關(guān)的政策和規(guī)程，定義了供應(yīng)鏈的運(yùn)行，并對(duì)國防后勤局為軍隊(duì)采購的物品進(jìn)行了描述。國防后勤局還負(fù)責(zé)開發(fā)相應(yīng)的工藝和規(guī)程，旨在將增材制造集成到供應(yīng)鏈中，向國防部各部門提供增材制造技術(shù)數(shù)據(jù)以供其安全訪問、獲取及共享。

2 美軍利用增材制造技術(shù)進(jìn)行維修保障取得多項(xiàng)成果

圖3 傳統(tǒng)工藝與增材制造的MH-60R直升機(jī)聲吶外殼對(duì)比

近年來，國防部長辦公室制定了相關(guān)政策，成立了多個(gè)工作組來協(xié)調(diào)各軍種和國防后勤局之間的工作，至少有81個(gè)軍工廠、維修基地和野外駐地采用了增材制造技術(shù)，生產(chǎn)了數(shù)千個(gè)零部件和工具（如冷卻管道、夾子、扳手等），縮短了維修時(shí)間，減輕了缺乏傳統(tǒng)制造資源對(duì)武器裝備受損部件的影響，此外還對(duì)現(xiàn)有部件進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1 國防部長辦公室制定增材制造戰(zhàn)略規(guī)劃，協(xié)調(diào)各部門開展工作

自2017年以來，國防部長辦公室通過領(lǐng)導(dǎo)多個(gè)工作組，與軍方和國防后勤局就增材制造的價(jià)值和使用加強(qiáng)了溝通。例如，增材制造聯(lián)合工作組確定了2019財(cái)年和2020財(cái)年8個(gè)增材制造發(fā)展的優(yōu)先事項(xiàng)，包括數(shù)據(jù)共享、最佳實(shí)踐、解決網(wǎng)絡(luò)安全問題，以及對(duì)增材制造部件和工藝進(jìn)行資格鑒定和認(rèn)證等。2019年3月，負(fù)責(zé)采辦與保障的國防部副部長辦公室發(fā)布了臨時(shí)指南，明確了國防部長辦公室、軍隊(duì)和國防后勤局在國防部采用增材制造進(jìn)行部件維修方面的責(zé)任。此外，負(fù)責(zé)研究與工程的國防部副部長辦公室通過與美國國家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（America Makes）合作，開展增材制造項(xiàng)目資助。

2.2 陸軍利用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)征戰(zhàn)地按需制造

截至2019年2月，至少有19個(gè)陸軍基地正使用增材制造補(bǔ)充現(xiàn)有的供應(yīng)鏈，提高士兵的戰(zhàn)備能力，包括維修庫、工程指揮部和部隊(duì)。美國陸軍開發(fā)了一種名為“利用增材制造實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)快速制造（R-FAB）”的移動(dòng)式設(shè)施（如圖1所示），通過在遠(yuǎn)征戰(zhàn)地使用增材制造來提高士兵的戰(zhàn)備能力，快速修復(fù)受損零部件。例如，陸軍利用R-FAB設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了AH-64D阿帕奇直升機(jī)主旋翼固定支架（如圖2所示），僅僅花費(fèi)9個(gè)小時(shí)，成本為3.21美元。如不及時(shí)更換支架，AH-64D的其他部件可能會(huì)因此發(fā)生損壞，據(jù)此估算，利用增材制造技術(shù)能夠?yàn)殛戃姽?jié)省大約2萬美元的成本。

圖4 增材制造生產(chǎn)的C-17飛機(jī)冷卻風(fēng)道

2.3 海軍利用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)艦船上零部件生產(chǎn)

截至2019年1月，美國23個(gè)海軍基地正在使用增材制造技術(shù)提升武器裝備維護(hù)能力，這些基地包括維修庫和作戰(zhàn)中心。海軍將增材制造技術(shù)用于艦船上零部件生產(chǎn)。例如，西南艦隊(duì)?wèi)?zhàn)備中心利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)經(jīng)常需要更換或易損壞的昂貴零件、維修工具，以及一些難以購買或不再生產(chǎn)零件。例如，美海軍利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)MH-60R直升機(jī)的聲吶外殼（如圖3所示），將生產(chǎn)周期由2年縮短至1周。

2.4 空軍將增材制造用于低風(fēng)險(xiǎn)零件生產(chǎn)

截 至2019年2月，至少有35個(gè)空軍基地正在使用增材制造技術(shù)，大幅度降低老舊零件的生產(chǎn)成本。這些基地包括維護(hù)庫、工程指揮部和實(shí)驗(yàn)室。目前，空軍致力于將增材制造用于低風(fēng)險(xiǎn)零件（例如輔助設(shè)備、工具和武器系統(tǒng)非關(guān)鍵組件）的生產(chǎn)，希望以此為基礎(chǔ)，將增材制造應(yīng)用到關(guān)鍵部件的生產(chǎn)。例如，美國空軍采用增材制造技術(shù)為C-17“環(huán)球霸王”（Globemaster）III型飛機(jī)生產(chǎn)了3個(gè)冷卻風(fēng)道（如圖4所示），將交貨周期縮短9個(gè)月，并有望在20年的服役周期內(nèi)節(jié)省1200萬美元。

2.5 海軍陸戰(zhàn)隊(duì)部署增材制造遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室

美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)正在維修站和遠(yuǎn)征部隊(duì)使用增材制造技術(shù)，以縮短零件維修的時(shí)間，滿足戰(zhàn)場(chǎng)需求。2019年2月，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)遠(yuǎn)征部隊(duì)宣布，到2024年將部署21個(gè)增材制造遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室（如圖5所示），用于作戰(zhàn)受損裝備的修復(fù)。通過采用增材制造技術(shù)，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提高了戰(zhàn)備能力，大幅降低了生產(chǎn)成本。例如，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)H-1直升機(jī)頭盔面罩支架（如圖6所示），將生產(chǎn)周期從270天縮短至10天，每個(gè)支架的成本從300美元降至0.75美元。

2.6 國防后勤局為各軍事部門部署增材制造提供支持

國防后勤局為各軍事部門部署增材制造提供支持。一是開發(fā)可判斷增材制造零件適用性的軟件，該軟件包含材料類型、尺寸、生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和歷史成本等數(shù)據(jù)元素，可針對(duì)每個(gè)軍事部門的需求進(jìn)行查詢，并識(shí)別滿足特定條件的候選部件；二是與America Makes合作開發(fā)了“聯(lián)合增材制造模型轉(zhuǎn)換（JAMMEX）”平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)各軍事部門和國防后勤局之間的增材制造零件數(shù)據(jù)共享；三是國防后勤局部隊(duì)支援中心為25個(gè)軍事地點(diǎn)采購了增材制造設(shè)備和材料。

3 美國防部對(duì)未來發(fā)展的建議

目前，美軍各軍種和國防后勤局均采用各自的規(guī)劃和系統(tǒng)來部署增材制造，因此存在著跟蹤數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、各部門數(shù)據(jù)不共享，以及人員和資金不明確等問題，難以全面發(fā)揮國防部增材制造能力。通過全面審查，國防部提出了目前存在的問題及未來對(duì)策建議。

圖5 增材制造遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室

圖6 H-1直升機(jī)頭盔面罩支架

3.1 實(shí)現(xiàn)技術(shù)數(shù)據(jù)、投資情況以及零部件編目的標(biāo)準(zhǔn)化

目前，國防部沒有對(duì)增材制造產(chǎn)品、增材制造設(shè)備，以及增材制造投資等方面的跟蹤數(shù)據(jù)提出標(biāo)準(zhǔn)化要求。例如，各軍種在跟蹤使用增材制造生產(chǎn)的零件時(shí)，所包含的數(shù)據(jù)元素不一致，對(duì)于各部門應(yīng)該在增材制造技術(shù)數(shù)據(jù)包中識(shí)別的數(shù)據(jù)元素也缺乏相應(yīng)的指南。在跟蹤增材制造設(shè)備方面，美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)對(duì)所有購買的所有增材制造設(shè)備進(jìn)行跟蹤，而空軍則要求各單位只跟蹤價(jià)格超過10萬美元的增材制造設(shè)備。在跟蹤增材制造投資情況方面，增材制造聯(lián)合指導(dǎo)小組要求軍事部門和國防后勤局報(bào)告每年在增材制造上的花費(fèi)，但沒有指出哪些信息（比如研發(fā)、培訓(xùn)、人員、設(shè)備或材料）應(yīng)包括在支出中。在進(jìn)行增材制造零部件編目時(shí)，海軍航空系統(tǒng)司令部（NAVAIR）在傳統(tǒng)制造的零部件編目基礎(chǔ)上補(bǔ)充增材制造信息，而空軍生命周期管理中心正在為使用增材制造生產(chǎn)的部件創(chuàng)建新的編號(hào)。

3.2 實(shí)現(xiàn)增材制造數(shù)據(jù)的共享

實(shí)現(xiàn)增材制造數(shù)據(jù)的共享能夠消除設(shè)計(jì)和生產(chǎn)增材制造零部件時(shí)的重復(fù)工作。目前，各軍事部門采用多種方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如：海軍使用JTDI平臺(tái)等跟蹤生產(chǎn)增材制造零件，而空軍則采用Excel電子表格和Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行跟蹤。此外，由于相關(guān)信息在軍事部門之間及其內(nèi)部不共享，可能導(dǎo)致在設(shè)計(jì)生產(chǎn)增材制造零件時(shí)重復(fù)工作，因此浪費(fèi)了時(shí)間和金錢。例如，空軍和海軍都在利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)C-130大力神飛機(jī)（C130）的零件和工具。由于設(shè)計(jì)、材料類型，以及其他技術(shù)數(shù)據(jù)不共享，兩軍都在從事同一零件的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。

3.3 提升各環(huán)節(jié)人員對(duì)增材制造的認(rèn)識(shí)

國防部還需要通過培訓(xùn)或指導(dǎo)的方式，提高采辦、合同簽訂、后勤等各環(huán)節(jié)人員對(duì)增材制造的理解認(rèn)識(shí)。國防部臨時(shí)增材制造政策要求將增材制造納入采辦與維護(hù)保障人員的勞動(dòng)力培訓(xùn)中，該政策還要求各軍為參與制造的人員進(jìn)行相應(yīng)的增材制造培訓(xùn)。海軍正在起草一份增材制造合同和采辦指南，如果獲得國防部采用，將對(duì)合同簽訂和采辦人員有所幫助。同時(shí)，國防部長辦公室應(yīng)將有關(guān)增材制造的最新資訊通知各軍事部門和國防后勤局項(xiàng)目官員、后勤人員、承包商和國防部高級(jí)管理人員，并要求各軍種和國防后勤局不斷更新其增材制造指南。

3.4 明確所需的人員和資金支持。

目前，每個(gè)軍事部門分別實(shí)施了增材制造計(jì)劃，但各部門尚未明確所需的資金和人員。例如，陸軍正在實(shí)施5項(xiàng)增材制造發(fā)展計(jì)劃，要求11個(gè)陸軍部門的13個(gè)工作組參與，但陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部并不清楚陸軍對(duì)這些工作的成本預(yù)算。海軍海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）、空軍生命周期裝備司令部、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)后勤司令部和國防后勤局官員表示，每個(gè)增材制造候選零件在生產(chǎn)之前都需要獲得工程師的批準(zhǔn)，以確保零件符合軍用規(guī)范，因此國防部需要更多的工程師來滿足增材制造零件的預(yù)期需求。

4 結(jié)語

近年來，軍事發(fā)達(dá)國家采取多種舉措推動(dòng)增材制造技術(shù)的發(fā)展，旨在利用該技術(shù)縮短武器裝備研制周期、降低研制成本、提高裝備性能、改進(jìn)后勤保障模式。此次審查可以看出，美國非常重視對(duì)增材制造技術(shù)的政策支持及統(tǒng)籌布局，正按照路線圖的短、中、長期發(fā)展規(guī)劃一步步推動(dòng)其實(shí)施。從戰(zhàn)略層面來看，美國將增材制造技術(shù)用于武器裝備維修保障作為發(fā)展的重點(diǎn)，并開展全面審查，與國防部增材制造發(fā)展路線圖及其重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域的統(tǒng)籌布局保持一致，也是其在軍事領(lǐng)域首個(gè)重點(diǎn)發(fā)展的應(yīng)用方向。從管理層面來看，美國防部注重部門間的分工協(xié)作，以確保形成合力，滿足武器裝備發(fā)展需求，建立新的后勤供應(yīng)和裝備維修模式，并且采用公私合作的方式，借用私營部門的力量，全面推動(dòng)增材制造技術(shù)的發(fā)展。從審查效果來看，美國防部總結(jié)了近幾年增材制造技術(shù)在維修保障中應(yīng)用成果，提出了在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面暴露出的問題以及相關(guān)建議，為進(jìn)一步拓展增材制造技術(shù)在武器裝備維護(hù)保障中的應(yīng)用范圍，滿足作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)備需求提供了改進(jìn)方向。