增材制造與國防產品過時管理

據蘭德公司網站2015年10月12日報道，為幫助美國的政策制定者了解增材制造對于國防過時管理的意義，蘭德公司歐洲分部正在收集和整合制造業及國防產業研究人員的相關意見。

過時管理的挑戰性

過時的概念及其與國防的相關性

過時是指曾經可用的原料、部件、程序、技能及/或軟件的不可用性，可能發生在設備全壽期的不同階段，尤其會影響到那些需要使用數十年的部件。部件的過時在國防及航天領域較為常見，這些領域的設備采辦需要較長的超前時間量，需要在數十年的服役期內得到支持。某些設備70%～80%的電子元件在系統投入部署前就已過時。雖然過時問題常常與電子元件有關，但機械部件、原料、軟件、媒體支持，以及加工、試驗設備、文件和技能也存在過時問題。這些領域之間存在很多相互依存關系，因此，應對相關過時問題進行整體管理，而不是分領域單獨管理。

過時成本

根據負責歐洲戰斗機項目的英國主要承包商處的數據，過時是該項目的第二大風險，且成本高昂。譬如，從未服役的“獵迷”MRA4海上偵察機（BAE系統公司研制）全壽命周期的總成本估計為7.8億英鎊（約11.4億美元）。美國海軍估計其每年與過時相關的成本約為7.5億美元。從軍事角度看，過時管理的實際成本在于：對于一個預算經費有限、競爭需求眾多且需要開支平衡的項目而言，過時管理開支過大會降低安全部署軍事設備的能力。

管理過時

在英國，一部防務系統的生命周期分為6個階段：概念、評估、驗證、制造、服役和廢棄處理（CADMID周期）。過時問題可能出現在該生命周期的任一階段，因此需要從項目初期就予以考慮。過時管理主要有2種方案，一是主動緩解（Mitigation）式方案，尋求將過時問題的影響或出現可能性降到最小程度，主要在供給鏈、設計及規劃環節采取措施；二是被動解決式（Resolution）方案，尋求在過時問題出現時采取措施加以應對，具體方案包括同部件更換，規格、裝配關系及功能（FFF）置換、仿真或重新設計。有效的過時管理不僅要建立在緩解或解決過時問題的能力上，也要建立在利用過時數據、后勤數據、技術預測、行業趨勢（需求預測）實施戰略管理以促成戰略規劃、生命周期優化及長期業務發展的能力上。

防務系統中商用現成品的過時

包括美國在內的世界各國政府日益推進商用現成品在防務系統中的使用。商用現成品的生命周期通常為5年或少于5年，而一部防務系統的生命周期則通常超過20年。這意味著，如果按照傳統防務方案進行商用現成品全壽期管理，過時可能成為一個重大問題。因此，需對商業現成品采取不同的全壽期支持戰略，包括根據其生命周期進行更頻繁的設備更換。

創新性過時管理方案

增材制造可以應用到過時管理方案的各個環節。譬如，在實施供給鏈環節的緩解式過時管理方案時，制造商、供應商及設備用戶可能會簽署合作協議，確保使用增材制造技術制造出的是符合需求的部件。零部件的設計方案、規格、材料信息可以以數字形式保存，以利于未來幾年利用增材制造技術進行再生產。不過，利用增材制造技術再生產符合需求的零部件也存在一定局限性：目前尚不清楚是否所有零部件，尤其是電子元器件，均能利用該技術進行再生產。國防領域將增材制造技術應用于過時管理的例子可參見美國海軍“逆向工程：科技過時、維修與評估”（RESTORE）實驗室。該實驗室使用3D掃描儀對一個部件進行掃描，并將掃描圖像發送至一個“計算機輔助設計”（CAD）程序，然后制造出一個現代化的替代部件，支持舊有系統的延壽計劃。國際標準化組織已經制定了支持增材制造的相關標準，其中包括數據文件標準。使用這些標準存儲零部件相關數據可以為未來使用增材技術支持過時管理打下基礎。

美國防部及軍隊關于增材制造技術用于過時管理的研究

利用增材制造技術進行飛機維修

美國北卡羅來納州切里波因特海軍陸戰隊航空基地的“東部艦隊戰備中心”（FRCE）有很多年代較久的飛機，比如AV-8B“鷂”式垂直起降攻擊機。這些飛機的某些零部件由于原始設備制造商（OEM）已不再生產或原始設備制造商本身已不復存在等原因，而面臨過時問題。美國海軍航空系統司令部的科研人員利用增材制造技術解決了這一過時問題。他們或者通過3D掃描技術對舊有零部件進行逆向工程處理得出固態CAD模型，或者根據圖紙設計出3D固態模型；然后使用熔積成型（FDM）法生成正確的尺寸和形狀工具，制造出所需零部件。相關維修與維護工作完全在室內進行。美軍多個“艦隊戰備中心”已成功利用這種室內增材制造能力，為AV-8B“鷂”式攻擊機、P-3“獵戶座”巡邏機、F/A-18A/D“大黃蜂”戰斗機以及其他老舊飛機系統實現了維修和零部件更換，其中某些維修工作僅用幾天時間就已完成，而使用傳統方法則需耗時3周甚至更長時間。

利用增材制造技術制備金屬部件及相關合格性鑒定

美國防部在利用熔積成型（FDM）、立體光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）設備進行增材制造的同時，也將大量注意力放在常用金屬材料的增材制造上。美陸軍裝備研究發展與工程中心（ARDEC）一直在研究增材制造金屬合金的合格性鑒定及相關制備程序。為實現合格制成品所需可靠性，需要更好地了解設備的性能以及設備參數對制成品的影響。ARDEC的工程師們重點研究了直接金屬激光燒結（DMLS）制備程序、設備參數的設定，以及利用DMLS法制造4340高強度低合金鋼（HSLA）的合格性鑒定。該團隊所建立的材料和設備合格性鑒定方法將用于新DMLS及增材制造金屬系統的合格性鑒定，也將用于DMLS程序和金屬增材制造程序其他材料的合格性鑒定。

利用增材制造技術應對零部件過時挑戰的可行性

時間方面的考慮

增材制造技術能使“計算機輔助設計”（CAD）文件快速轉化成實際產品；也可以提供更大的設計靈活性，具有更強的定制能力；鑒于增材制造的制造過程可以地方化，其產品從制造到投入市場的總時間可以大幅縮短。

成本方面的考慮

與其他方案相比，增材制造方案除具有時間優勢之外，也需具有成本競爭力。評估過時成本的一個重要難題是如何制定精確的成本指標。成本指標的確定有助于最具效費比解決方案的選擇以及成本規避分析評估。根據相關成本指標，要想加強增材制造方案的實施，可以在更廣泛范圍內將增材制造作為一種“仿真”和“等效”技術，以此規避微幅和大幅度重新設計帶來的挑戰，從而實現成本節約。

增材制造在過時管理中的潛在作用

增材制造程序相對穩定，其成本大體上可預測，因此能降低過時解決方案的不確定性。利用增材制造技術可以應對多種類型的過時問題，如機械部件、工具、試驗設備的過時等，應對電子元件過時問題則有待于增材制造能力的進一步發展。利用增材制造技術實現設備支持，推動了考慮不同類型合同結構的需要，也推動了考慮如何將這些合同轉化為更好產品生命周期管理的需要。甚至，增材制造技術提供了支持性方案的更多選項。移動的增材制造設施也能提供交付支持性合同的機會。總之，增材制造技術為解決各種過時問題提供了大量機會，而相關技術還在繼續發展。

主要發現

一是過時管理是國防領域一個重要挑戰，過時管理的成本甚至在設備服役前就可能增加。

二是增材制造可以用于國防過時管理。

三是增材制造有助于與機械部件相關的過時管理，但目前尚不清楚其對其他類型過時管理的影響程度。

四是為使增材制造技術更好應用于國防過時管理，相關研究應重點關注能制造更大范圍零部件的增材制造技術、增材制造產品的合格性鑒定，并確保增材制造相關標準納入過時管理計劃的制定。