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美国加速推进3D打印技术国防应用

发布时间：2024-04-28 04:11:25来源：全球技术地图浏览量：

一、3D打印技术赋予国防领域新能力

3D打印技术作为能够变革武器装备的研发、生产和维护模式的前沿技术，受到美国国防部门重视。美国增材制造研究公司（AM Research）的报告称，2024年美国国防部在3D打印技术领域的直接支出约为5亿美元，且将以23%的复合年均增长率保持增长，预计到2030年支出将达到15亿美元。这种巨大的投入增长凸显出3D打印技术对于国防领域的战略重要性。具体来看，3D打印技术可以在以下几个方面赋予国防领域新能力：

一是实现武器装备的快速制造，提高响应速度。3D打印技术可以在数小时内生产出复杂武器装备和零部件，相比传统制造方法大幅提高效率，从而提高了武器装备的补给能力、缩短了受损武器装备的停用时间，更好地匹配军事行动中对于武器装备快速部署和修复的需求。

二是可定制化生产。3D打印技术允许按需制造个性化和定制化的零部件、工具和设备，无需大规模的生产线和库存，可满足高端武器装备的各种特殊定制需求，具有高适应性和灵活性。

三是减轻后勤负担，降低物流成本。军队通过利用可移动式3D打印设备在前线或偏远地区进行本地分布式生产，可减少对长途运输和大规模仓储的依赖，降低物流成本。同时，通过本地分布式生产，可以提高军队响应速度、降低补给线被侦查和打击的风险。

四是提高资源利用效率。部分武器装备使用了昂贵的原材料，利用3D打印技术可以减少复杂结构件的耗材。同时，在小批量武器装备制造中，利用3D打印技术可以直接进行建模打印，无需制造模具，降低了整体投入。

二、美国国防部门高度重视3D打印技术

长期以来，美国国防部和军方将3D打印技术视为战略重点技术，给予高度重视。2021年1月，美国国防部发布了首份《国防部增材制造战略》报告，将3D打印视为实现国防系统创新和现代化、支撑战备保障的强有力工具，致力于使3D打印成为广泛应用的主流制造技术。该报告明确了3D打印的未来发展愿景、战略目标和发展重点。为了进一步推进3D打印技术在国防部的使用，2021年6月，美国防部研究与工程副部长办公室发布了国防部5000.93指示，该指示就3D打印技术在国防部的实施和应用制定政策、明确责任并细化程序提供了总体指导。2022年5月，美国拜登总统宣布推出名为“增材制造推进”（AM Forward）的计划，旨在发动国家力量支持中小型企业发展3D打印技术及其相关技术，以及通过3D打印技术来强化制造业劳动力和美国本土供应链。该计划的首批参与者包括通用电气航空公司、雷神公司、西门子能源公司、洛克希德·马丁公司和霍尼韦尔公司。2023年2月，美国海军战略潜艇项目执行办公室执行主任Matt Sermon称军用造船的未来取决于金属3D打印技术，美国海军将继续加大3D打印技术的部署力度。2023年10月，美国陆军参谋长兰迪·乔治将军表示，美陆军希望通过3D打印等先进制造技术和其他创新举措来提高后勤和战备能力。此外，美国海军陆战队计划表示将在2025年前将实现由聚合物打印零件转向全面金属打印。

三、美国推动3D打印技术在国防领域应用的措施

（一）建立大型可3D打印零件文件综合存储库，实现高效率零部件采购流程

2023年12月，美国国防后勤局（DLA）与创新咨询公司BMNT合作创建了可3D打印零件文件存储库，进一步推进3D打印技术在国防和安全领域的全面应用。DLA采用了其他交易授权（OTA）合同的方式，简化了零部件采购流程，使DLA能够更迅速地应对国防部对零部件的需求。这一流程的变革使得采购零件所需的时间从传统的三个月以上缩短到不到两周，进一步提高了国防部的应变能力。此外，通过将数千家美国制造商纳入国防供应链，DLA扩大了其供应商基础。这种扩张不仅增加了供应链的韧性，也为国防部提供了更多的选择和灵活性，以满足不断变化的需求。

（二）加强3D打印系统部署，降低成本

美国海军在不同类型的舰艇和潜艇上成功部署了多种3D打印系统。这种多样化系统的部署有望减少美国海军对传统供应链的依赖，提升海上后勤保障能力，从而提高舰艇和系统的战备水平。2023年1月，美国海军在“巴丹（Bataan）”号两栖攻击舰上成功部署了增减材混合制造系统。这一系统具备3D打印316L级不锈钢部件的能力，为美国海军提供了在低成本条件下实现工业级舰艇专用金属零件制造的技术支持。不久后，“巴丹”号舰员便首次在舰上使用该制造系统完成了金属部件的制造。整个过程仅用了5天，为美海军节省约40万美元。同年2月，美国海军又在核潜艇“新罕布什尔”号（SSN 778）上安装了一台新型“Markforged X7”3D打印机，用于实时修复管道泄漏和新电气设备外壳等各种设备。3D打印系统的部署使得原本难以获得的单个零件能够直接在船上进行制造，替代了以往高成本、长耗时的零件更换方案。

此外，美军加强了3D打印系统在医疗、建筑保障等领域的实战应用能力。例如，2023年7月，海军陆战队在综合训练演习期间实现了在MV-22B鱼鹰运输机高速飞行过程中成功3D打印医疗模具，突破了传统制造对洁净室环境的限制，展示出3D打印技术在提升供应链韧性和远征部队的战备能力方面的潜在优势。2023年11月，美国陆军工程兵团对使用3D打印技术建造的混凝土结构进行了爆炸测试，证明了其在爆炸条件下的性能和耐久性。

（三）提供多重资助，推出研发项目征集

美国通过多机构合作、资助多个项目，并在不同领域展开研究，在国防制造中积极推动3D打印技术的研发和应用，为提高制造效率、降低成本、解决特定领域问题提供了全方位的支持。

2023年4月，美国国防部轻量化制造创新机构（LIFT）与密歇根理工大学开展多项3D打印研发项目，涵盖金属粉末雾化系统、定制化金属合金，以及制定金属合金在高超声速领域应用的路线图等多个项目，加速了3D打印军事应用材料和工艺的研发。同年10月，空军研究实验室资助的“增材制造工艺高效鉴定/再鉴定新方法示范”计划揭示了六个项目，致力于制定合格的3D打印工艺，同时采用机器学习等先进技术进行高效监测。2023年11月，美国国防制造与加工中心和American makes宣布对“通过增材制造能力和技术经济性分析提高制造生产率”（IMPACT）征集的项目进行资助，资金由美国国防部研究与工程副部长办公室和空军研究实验室提供，总金额为1170万美元。这一资助进一步强调了国防部对3D打印在提高生产率和应对制造挑战中的战略重要性。2024年4月，美国空军研究实验室（AFRL）与美国Relativity Space公司签署价值870万美元的合同，旨在利用后者的3D打印技术开发大面积3D打印实时缺陷检测技术，支持美国空军金属3D打印发展。

（四）加强企业合作，提升供应链安全

美国持续深化与本国企业的紧密合作，支持企业研发新技术，以便快速利用创新成果满足军队要求。2023年4月，美国空军通过与美国Amentum公司合作，通过3D扫描和3D打印现代化物流系统，提供商业采购解决方案，以促进对外国军售客户的服务。2023年9月，美国ATI公司被美海军核推进计划相关机构授予合同，将在2024年建立先进3D打印设施，以提高3D打印零部件能力，加速船舶建造。此项合作将支撑美国“弗吉尼亚”级核潜艇、“福特”级航母等最新舰艇装备服役美国海军。同月，美国Branch技术公司获得了美国空军研究实验室和空军技术加速器办公室（AFWERX）113万美元合同，旨在通过其独特的蜂窝制造3D打印技术，为军事建筑提供创新的解决方案，提高空军建筑物的性能和部队综合保障能力。
同时，美国加强与国际领先企业合作，获取最新3D打印技术，进一步推动本国3D打印技术的迅速发展。通过与澳大利亚SPEE3D公司合作，美国海军首次采用金属冷喷涂3D打印技术，实现了快速、可靠、易于部署的潜艇零部件制造。此外，2023年9月，澳大利亚金属增材制造公司AML 3D与美国国防部支持的BlueForge联盟签署了一份价值23万美元新合金表征和测试合同，旨在进行3D打印铜镍零部件的开发和测试，支持美海军的潜艇计划。2023年11月，美国国防制造公司Cogitic向澳大利亚AML3D公司购买ARCEMY3D打印系统，该系统将为美国海军潜艇工业基地提供金属3D打印零件。双方合作不断深入也表明了美国海军潜艇工业供应链对3D技术需求的不断增长。

（五）加强人员培训与人才储备

为了更好地应对美国国防部对3D打印技术的不断增长的需求，美国政府通过各种培训和人才储备计划，确保军方具备足够的专业技能和知识来应对不断变化的技术环境。早在2017年，美国便成立国家3D打印培训项目ACADEM，并在全军范围内推广，旨在使得各个军种的工程师、技术人员和维修人员具备足够的操作经验和技能，能够熟练运用各种3D打印系统。同时，美国军方通过与学术机构和研究中心的合作，推动3D打印技术相关专业的研究和教育，包括设立专门的研究项目、奖学金计划以及与军事学院的合作等。此外，美国国防部还鼓励军队内部的知识共享和经验传承，通过制定相关政策和流程，确保3D打印技术的最佳实践得以广泛传播。这种内部交流不仅有助于提高整体技术水平，还能够促进创新和问题解决的协同努力。

四、结束语

美国在国防领域持续推进3D打印技术的应用和发展，已对美陆、海、空、天军及其后勤保障系统产生积极影响。美国国防部的战略布局和对创新技术的重视，使得3D打印不仅成为推动技术进步的重要力量，也为应对未来军事挑战提供了重要的技术支撑。预计，随着新型3D打印材料持续进步和突破，以及人工智能和机器人等新技术与3D打印技术不断整合，将使3D打印技术制造的武器装备零部件具有更优异的性能、使3D打印的自动化和智能化水平进一步提高，从而在国防领域发挥更为重要的作用。

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