美海军积极推动增材制造技术上舰

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美海军积极推动增材制造技术上舰

2017-06-03 战略前沿技术

本文由蓝海星智库（ID:SICC_LHX）授权转载，作者：王维蓝海星

增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，近20年来增材制造技术取得了快速的发展，目前已经广泛应用于零部件的生产制造，尤其是具有复杂结构的零部件。

美国材料与试验协会增材制造技术委员会将现有的增材制造技术分为七类，如表1所示。

一、增材制造技术在舰上应用的优缺点分析

美国海军已经在多个领域实现了增材制造技术的实际应用，常用的技术主要有五类：粉末床熔融、材料挤出、光固化成型、材料喷射和粘结剂喷射。

1、粉末床熔融

粉末床熔融技术是利用激光或者电子束作用于粉末床上铺好的薄粉末层，使之加热融化并凝固，在烧结完成后，粉末床平台下降一定高度，随后继续在粉末床表面铺展粉末，重复烧结过程直至零件成型。目前，粉末床熔融技术至少在七个美国海军项目中开展应用。海军水下战中心从2002年就开始使用选区激光烧结设备，目前已经制造了35000多个零部件。

粉末床熔融技术的优点在于高的灵活性和通用性，能打印的材料种类多，如高聚物粉末、金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末等；粉末床熔融技术打印结构件过程中不需要搭建支撑材料，因此更加节约成本；对打印材料的利用率很高；不需要对成型件作后续加工。

粉末床熔融技术的主要缺点包括需要稳定的工作环境，以及连续的粉末供给和电源供给，舰船航行过程中通常难以保障这些条件，导致该技术短期内难以上舰；此外，在大多数情况下，打印腔室要充满氮气作为保护气体，氧气和其他气体会使激光束扭曲失真并且在冷却时导致结构件变形。设备也有相应的工作温度和湿度要求；粉末腔中需要有充足的粉末储量以保证打印过程粉末供给不间断，一旦设备的粉末供应被打断，整个成型件将受到毁灭性的破坏；粉末本身也有一定的危害性，飘散在空气中的粉末会对设备内外部的电子设备造成损坏，且达到一定浓度有可能产生爆炸危险。

2、材料挤出

材料挤出是把原始材料通过喷嘴逐层固化的成型技术。材料挤出中的熔融沉积成型技术是工业应用最广泛的增材制造技术，经常被用于产品的早期原型件开发、零部件设计和概念模型验证。美国海军现在至少有15个项目使用了熔融沉积成型设备。

材料挤出的优点在于设备结构简单、造价低；制造过程稳定；打印材料储存腔室小等。材料挤出的大部分缺点都和移动喷嘴有关，因为移动喷嘴直接影响了成型速度、精度以及挤出材料的形状和尺寸，更大的喷嘴具有更快的沉积速度，但是相应的精度也会下降；在一次成型过程中，喷嘴不能被更换，而且打印结束后必须清理；为了得到质量均匀的结构件，材料从喷嘴流出时的惯性要保持一致，因此在打印设计和速度设定时，需要考虑喷嘴运动方向的快速变化，尤其在舰船这样的移动平台，喷嘴的移动将是最主要的问题，因为喷嘴移动和材料流动将受环境摇摆和倾斜影响，会进一步影响沉积层的质量；零部件需要在支撑结构上成型，支撑材料不能重复使用，带来了材料浪费。

3、光固化

光固化利用紫外光照射充满液态光敏树脂的材料池，光敏树脂在照射下固化，当一层打印完成后，打印平台在垂直方向上移动，同时清扫叶片会清洗掉成型件表面的残留液态树脂，随后液态树脂从储存箱中流出，重新充满材料池，进行下一层的打印。目前至少有6个海军项目使用了光固化技术制造零部件原型。

光固化技术的优点是零件的成型精度和表面精度较高。光固化技术的缺点在于打印材料有限，只能打印对紫外线敏感的聚合物树脂，因而在舰船上应用范围较小且难以制作关键件；打印过程需要保证材料池处于水平状态，进一步加大了上舰的难度；打印区域只能是二维平面，设备不能向材料挤出和材料喷射那样从多个角度进行打印；光固化树脂不适合制造结构件，只能用于原型件；光固化设备通常比较庞大而且造价高；打印时也需要相应的支撑结构；打印件需要进行清理，清洗过程十分耗费人力。

下图为美国海军水面作战中心（NSWC）卡德洛克分部利用光固化技术制作的USNS医院船（T-AH20）船体模型，通过对其进行闭环风洞测试，检测船体上层建筑结构对气流场影响，以判定结构设计是否适合飞机起降。传统的模型制造方法完成一个模型需要50天以上，采用增材制造工艺，在25天内即可完成模型制造，时间节省了一半以上，且结合缝更少，成本更低，尺寸精度更高。

USNS医院船（T-AH20）船体模型

4、材料喷射与粘结剂喷射

材料喷射是利用喷头直接在打印区域沉积待打印材料；粘结剂喷射是利用喷头将粘结剂喷射到粉末床上，利用紫外线扫描等方式逐层固化成型。目前，美国海军至少有12个项目运用到了喷射增材制造设备。

材料喷射与粘结剂喷射技术的优点包括打印材料种类多；设备便宜；能够多喷头同时作业，打印速度快。

材料喷射与粘结剂喷射技术的缺点在于打印精度和分辨率不高；喷嘴需要清洗；粘结剂喷射的粉末床需要保持水平。

下图为海军水下战中心（NUWC）基波特分部使用粘结剂喷射技术制备MK30自航式声诱饵尾部的铸型，大幅降低了研制周期及成本。

MK30自航式声诱饵尾部铸型

二、增材制造技术上舰面临的问题

美国海军非常重视增材制造技术，目前美国海军已经能够在舰上制造出零部件，但只是非关键部位的零部件，且不具备知识产权，产量不大。其他需要认证和质量要求严格的零部件，不得不由陆上企业生产，再运输至舰船上。为了发挥增材制造技术在海军舰船应用的最大潜力，必须要在舰载3D打印技术方面获得更大进步，然而增材制造技术在海军舰船上推广应用仍然要解决一些障碍。

1、资格认证

海军舰船、飞机、潜水艇和其他系统装备中不会采用没有资质认证的零部件。增材制造零部件的质量认证是其应用到海军领域的最大障碍，其中最大的难点是给增材制造零部件设定怎样的质量要求等级。美国国防部规定的海军舰载非关键零部件就有数百万个，而这些都需要经过认证才能投入使用。例如，3D打印出的电话系统支架，在美军舰惠特比岛船坞登陆舰上通过测试后，仍然需要1-2年时间取得安装的资质认证才能真正在舰上投入使用。如果增材制造设备打印的零部件无法取得舰载使用资格，增材制造技术就无法实现真正的应用。

2、法律因素

增材制造技术在美国海军的应用推广主要面临两个方面的法律问题。

第一是知识产权。设计和制造新的零部件不会侵犯知识产权，但是制造已有知识产权保护的零部件将面临这一问题。此外如果一个零件被部分制造出来了，是否算侵权？如果不算，那把零部件的各个部件暂时制造出来，最后组装成受专利保护的零部件，是否算侵权？如果海军部门不能够提出一个可操作性的方案并和零部件供应商达成一致，将面临上述问题。未来零部件制造的授权可以通过零件和系统的合同来获得，如可以规定零件的CAD图纸只能使用有限的次数等等。

第二个法律问题是问责。如果海军（或者与海军合作的第三方增材制造商）按照零件原始生产商提供的零件设计图打印出的零件失效了，在目前的情况下是无法明确责任方的。这个问题可以通过上文提到的资质认证体系来解决，如果海军或经海军授权的第三方增材制造商有具有相关操作资质的人员，按照原始生产商提供的设计图文件，按要求在经过认证的增材制造设备上制造出的零件存在质量问题，那么原始生产商需要承担责任。

3、人员培训

为了推动增材制造技术应用，美国海军需要建立成熟的增材制造设备操作人员培训系统。美国海军已经在两栖攻击舰的机械车间内建立了上述培训系统，让士兵们在船上实际操作增材制造相关设备，并对他们的技能进行打分。美国海军的“舰队打印计划”已经成立了增材制造培训中心，旨在教导海军士兵使用电脑辅助建模软件（CAD软件）、三维扫描器和增材制造系统。

另一方面，还需要对海军军官进行培训，让军官认识到增材制造打印零部件的可靠性，了解到哪些零部件能够用增材制造技术制造，以及增材制造在零部件供应和现场维修方面的应用前景。

2014年2月，美海军首次将Stratasys公司型号为“Uprint Plus 3D Printer”的3D打印机安装到“埃塞克斯”号两栖攻击舰上，测试3D打印机在颠簸的海上航行以及舰艇的引擎震动中的使用稳定性。

“Uprint Plus 3D Printer”型3D打印机

三、未来促进增材制造技术上舰

1、技术改进

随着增材制造技术的发展，目前部分增材制造技术已经在美海军舰艇取得了实际应用，如激光近净成型技术（LENS），该技术不需要粉末床，使用喷嘴喷出粉末并用激光固化粉末，能直接在受损的零部件上打印，从而完成修复工作。海军已经证实了LENS技术的可靠性，并已用于坦克和汽轮机修复。材料挤出技术在打印中无法更换挤出材料，需要采用多个喷嘴才能同时沉积不同的材料，这两种技术都需要经过改进才能获得应用，如改进喷嘴的设计实现多材料打印及喷嘴快速清理，或者与其他增材制造技术如LENS结合，这就需要解决不同增材制造系统之间的兼容性问题。一些增材制造技术需要保持平台水平，如果将增材制造设备通过陀螺稳定仪（已经在舰炮上使用了数十年）保持水平，那么侧倾和旋转角问题就能够得到解决。

此外，增材制造产品质量鉴定时间需要尽量缩短，目前美国海军研究署正通过在增材制造设备中添加传感器，在打印过程中对成型件进行质量鉴定，确保其符合最终的要求，这样就能够极大缩短质量认证的时间。

2、提高可推广性

美国海军“舰队打印”计划正在进行熔融沉积成型系统的舰载测试，并培训操作人员，希望通过小规模的应用验证促进增材制造技术在海军全面应用。然而，目前测试的系统只能打印非关键零部件，实用性不高，海军研究署和其他相关机构需要验证增材制造在舰上应用的价值，否则很难进一步推广应用。此外，如果由于资质认证和知识产权问题，增材制造设备不能在舰上打印关键零部件，也会导致增材制造无法在舰上大规模应用。

2014年6月24-26日美国海军在作战指挥系统活动中开展了为期三天的“舰上打印”研讨会，在此期间向水手及其他相关人员介绍增材制造技术并进行技术培训。

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