深度解讀3D打印在美國軍事領域的應用(2)
為了實現多域整合效果,美國空軍研究實驗室設在佛羅里達州埃格林空軍基地的彈藥部,正與設在俄亥俄州萊特-帕特森空軍基地的材料與制造部及傳感器部緊密合作,積極將AM技術應用于各種領域,例如,開發用于機艙有限空間的靈活及模塊化武器、目標變換、共形情報監視偵察,以及柔性電子器件。AM技術應用在這些目標領域的逐步成熟,將有助于提高作戰能力,不僅提升小型武器的殺傷力,并降低關鍵部件補充和更新所需的時間和費用。
“柔性電子器件和通用軍械制造”(FLEGOMAN)計劃從全盤著眼,研發AM技術,用以制造將裝入典型彈藥的多種部件和材料,包括金屬外殼、用于電子追蹤和電容器的新型導電“油墨”、能與打印兼容的改良含能材料配方,等等。直接打印電子器件的好處之一是:比用常規技術加工的電子產品能更有效地利用空間,也減少浪費。例如,把武器系統內部或外部的電子器件簡化成打印模式,就能減少重量和尺寸,并騰出寶貴的內部空間。打印柔性電子產品的其它例子包括:戰士頭盔上的無線電天線,不僅減少佩戴重量,亦有助于佩戴者行移運動;還有嵌入服裝的電子元件,既能增加防護,也可用于健康監測。
空軍理工學院也運用AM技術完成了小比例侵入機的概念驗證設計。這種新穎的設計包括復雜的內部蜂窩特征,而傳統的減材制造技術無法實現這種特征。他們在設計過程中納入了一種稱為“拓撲優化”的方法,生成了應力分布最優化的戰略構架,從而減少結構總重量。為了增加強度,他們正在進行金屬成分和后加工熱處理方面的完善努力。
在FLEGOMAN計劃下,有關課題組與美國陸軍設在新澤西州皮卡汀尼軍工廠的軍備研發及工程中心協作,用AM成功制造出引爆裝置。該軍工廠的科研一向重視電子打印技術,現已能噴墨打印和絲網打印出彈藥天線、引信元件和電池。運用AM技術,課題組嘗試了一系列非傳統但極有前途的選用材料,包括金屬納米顆粒。這些新型制造技術和材料有潛力超越傳統制造設備的性能,同時享有AM技術帶來的物流靈活性。
陸軍設在阿拉巴馬州亨茨維爾市的航空和導彈研發與工程中心(AMRDEC)正在研制相關的工具和程序,以推進導彈結構及部件的拓撲優化狀態。拓撲優化是一個設計過程,從中產生的結構能用最少的物料來達到理想的性能,例如最大剛度、預定的自然頻率,和優化的熱流量。AMRDEC中心計劃將合理簡化這個優化/設計過程,改進輕質蜂窩結構,納入構造方面的考慮,展現優化的導彈結構。該中心通過多個科技項目與設在賓州霍薩姆的材料科學公司、桑迪亞國家實驗室,以及匹茲堡大學合作。該中心將在2017年建成一個新AM設施,專門用于開展這些科研項目,培訓AMRDEC人員,推進AM技術對航空和導彈的應用。
海軍也一直積極利用近來突飛猛進的AM技術。作為早期采用者,海軍在過去的二十年里已經使用了幾代的AM技術來加快樣機研發。最近幾年來,海軍探索如何應用AM技術來解決陳舊部件替換問題。往往,在某系列艦船或潛艇研發期間制造的部件,原廠家早已停止生產,或者已不復存在,這種情況導致了耗資而漫長的采辦,有些艦船因此而無法出航。在海軍的各艦隊戰備中心和區域維修中心,他們正以許多方式利用AM技術,既省時省錢,又保障艦隊戰備。海軍改善戰備狀態的愿望正在海上得到檢驗。為了利用AM技術隨時直接生產零件,而不只是生產原型機件,海軍研究局一直在尋求與業界合作,這種合作伙伴關系對于保證AM技術生產的部件符合材料和艦隊的要求,至關重要。海軍武器部門也積極尋求運用AM技術,來解決美國能量制造基礎日益縮小的問題,并利用AM技術的獨特性來改善裝備性能并加強安全性,同時縮短在艦隊安裝新能量系統的時間。
AM技術不僅在陸地找到了用途,現在也進入了太空。美國國家航空航天局(NASA)馬歇爾太空飛行中心(MSFC)在2014年9月向國際空間站發送了第一臺3D打印機,用于測試塑料材料。第二臺3D打印機在2016年4月送往國際空間站。除了真正在太空打印之外,NASA-MSFC也根據3D掃描與AM相結合的一體化制造過程進行逆向仿制,以縮短從設計到制造的開發周期時間。在NASA設在加州帕薩德納的噴氣推進實驗室,創新先進概念課題組開發出一個兩維傳感器。該傳感器本質上是一張帶有印刷電子元件的透明塑料片,有人建議用它來收集太空或行星大氣層的環境數據。
▲美國國家航空航天局馬歇爾太空飛行中心在2014年9月向國際空間站發送了第一臺3D打印機，用于測試塑料材料
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