深度解读3D打印在美国军事领域的应用(2)
为了实现多域整合效果,美国空军研究实验室设在佛罗里达州埃格林空军基地的弹药部,正与设在俄亥俄州莱特-帕特森空军基地的材料与制造部及传感器部紧密合作,积极将AM技术应用于各种领域,例如,开发用于机舱有限空间的灵活及模块化武器、目标变换、共形情报监视侦察,以及柔性电子器件。AM技术应用在这些目标领域的逐步成熟,将有助于提高作战能力,不仅提升小型武器的杀伤力,并降低关键部件补充和更新所需的时间和费用。
“柔性电子器件和通用军械制造”(FLEGOMAN)计划从全盘着眼,研发AM技术,用以制造将装入典型弹药的多种部件和材料,包括金属外壳、用于电子追踪和电容器的新型导电“油墨”、能与打印兼容的改良含能材料配方,等等。直接打印电子器件的好处之一是:比用常规技术加工的电子产品能更有效地利用空间,也减少浪费。例如,把武器系统内部或外部的电子器件简化成打印模式,就能减少重量和尺寸,并腾出宝贵的内部空间。打印柔性电子产品的其它例子包括:战士头盔上的无线电天线,不仅减少佩戴重量,亦有助于佩戴者行移运动;还有嵌入服装的电子元件,既能增加防护,也可用于健康监测。
空军理工学院也运用AM技术完成了小比例侵入机的概念验证设计。这种新颖的设计包括复杂的内部蜂窝特征,而传统的减材制造技术无法实现这种特征。他们在设计过程中纳入了一种称为“拓扑优化”的方法,生成了应力分布最优化的战略构架,从而减少结构总重量。为了增加强度,他们正在进行金属成分和后加工热处理方面的完善努力。
在FLEGOMAN计划下,有关课题组与美国陆军设在新泽西州皮卡汀尼军工厂的军备研发及工程中心协作,用AM成功制造出引爆装置。该军工厂的科研一向重视电子打印技术,现已能喷墨打印和丝网打印出弹药天线、引信元件和电池。运用AM技术,课题组尝试了一系列非传统但极有前途的选用材料,包括金属纳米颗粒。这些新型制造技术和材料有潜力超越传统制造设备的性能,同时享有AM技术带来的物流灵活性。
陆军设在阿拉巴马州亨茨维尔市的航空和导弹研发与工程中心(AMRDEC)正在研制相关的工具和程序,以推进导弹结构及部件的拓扑优化状态。拓扑优化是一个设计过程,从中产生的结构能用最少的物料来达到理想的性能,例如最大刚度、预定的自然频率,和优化的热流量。AMRDEC中心计划将合理简化这个优化/设计过程,改进轻质蜂窝结构,纳入构造方面的考虑,展现优化的导弹结构。该中心通过多个科技项目与设在宾州霍萨姆的材料科学公司、桑迪亚国家实验室,以及匹兹堡大学合作。该中心将在2017年建成一个新AM设施,专门用于开展这些科研项目,培训AMRDEC人员,推进AM技术对航空和导弹的应用。
海军也一直积极利用近来突飞猛进的AM技术。作为早期采用者,海军在过去的二十年里已经使用了几代的AM技术来加快样机研发。最近几年来,海军探索如何应用AM技术来解决陈旧部件替换问题。往往,在某系列舰船或潜艇研发期间制造的部件,原厂家早已停止生产,或者已不复存在,这种情况导致了耗资而漫长的采办,有些舰船因此而无法出航。在海军的各舰队战备中心和区域维修中心,他们正以许多方式利用AM技术,既省时省钱,又保障舰队战备。海军改善战备状态的愿望正在海上得到检验。为了利用AM技术随时直接生产零件,而不只是生产原型机件,海军研究局一直在寻求与业界合作,这种合作伙伴关系对于保证AM技术生产的部件符合材料和舰队的要求,至关重要。海军武器部门也积极寻求运用AM技术,来解决美国能量制造基础日益缩小的问题,并利用AM技术的独特性来改善装备性能并加强安全性,同时缩短在舰队安装新能量系统的时间。
AM技术不仅在陆地找到了用途,现在也进入了太空。美国国家航空航天局(NASA)马歇尔太空飞行中心(MSFC)在2014年9月向国际空间站发送了第一台3D打印机,用于测试塑料材料。第二台3D打印机在2016年4月送往国际空间站。除了真正在太空打印之外,NASA-MSFC也根据3D扫描与AM相结合的一体化制造过程进行逆向仿制,以缩短从设计到制造的开发周期时间。在NASA设在加州帕萨德纳的喷气推进实验室,创新先进概念课题组开发出一个两维传感器。该传感器本质上是一张带有印刷电子元件的透明塑料片,有人建议用它来收集太空或行星大气层的环境数据。
▲美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心在2014年9月向国际空间站发送了第一台3D打印机，用于测试塑料材料
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