外軍武器裝備增材制造未來應用方向分析

裝備發展部某中心 黨曉玲 王婧

近年來，增材制造技術呈現出持續快速發展態勢，軍事強國圍繞增材制造技術進行研究攻關，加速推進其在各類武器裝備研制與維修保障中的應用。隨著制造工藝、適用材料、設備加工能力、技術標準等不斷優化和完善，增材制造工藝將獲得更加廣泛的應用，并擴展到更多的武器裝備及其關鍵零部件設計及研制生產中。綜合分析近年來增材制造技術的研究進展，以及外軍增材制造應用的典型事例，可以預見，未來以下八個方面將取得顯著突破，成為武器裝備增材制造技術應用的主要方向。

1 突破發動機等復雜系統的設計局限，改進武器裝備性能

隨著航空航天領域的發展，發動機等復雜系統的性能要求越來越高，產品研發難度也將顯著增大，采用傳統設計制造模式難以滿足需求。增材制造技術在復雜系統設計及制造方面的優勢將使其在發動機等裝備研發生產中獲得廣泛的應用。近年來，外軍已將增材制造技術用于火箭發動機、航空噴氣發動機等復雜系統的制造，不僅簡化了設計流程，并且實現了傳統制造手段無法滿足的設計要求，大幅縮短了生產周期，降低了生產成本，同時提升了武器裝備性能。

典型進展包括：（1）實現世界首臺電動泵液體火箭發動機快速低成本研制。2016年，美國火箭實驗室公司開發出世界首臺采用電動泵輸送推進劑的液體發動機——“盧瑟?！?，其75%以上的部件采用增材制造，可3天完成生產。由于減少了燃氣渦輪泵系統中大量復雜的管路、閥門，及燃氣發生器等裝置，可大幅降低復雜度和制造成本，提高可靠性，便于快速批量生產；（2）實現火箭發動機噴嘴創新設計。火箭發動機噴嘴的外部結構看起來簡單，但其內部結構非常復雜。2018年，NASA馬歇爾太空飛行中心采用激光直接沉積金屬絲材的方法，實現噴嘴冷卻液通道的精確封閉，同時在適當的位置形成支撐結構，實現了火箭發動機噴嘴的創新設計，將噴嘴的制造周期從幾個月縮短至幾個星期；（3）GE公司將增材制造技術作為發動機設計制造的重要手段。2017年，GE公司采用面向增材制造的設計和制造方式完成了T901-GE-900渦輪軸發動機樣件的生產，該發動機中使用了大量的增材制造零部件，其中一個零部件是由原來需要50多個子部件組裝而成的，因此大幅降低了T901發動機的重量，經過測試，其性能也獲得了提升。

目前，該應用方向主要開展了復雜結構件設計、面向增材制造的設計、蜂窩結構設計優化、增材制造可靠性提升等關鍵技術研究。未來，火箭發動機、航空發動機等復雜系統將大量采用增材制造設計和生產，并且更多的復雜系統將逐漸采用面向增材制造的設計，突破傳統設計局限，實現性能提升和創新式發展。

2 實現新型仿生/梯度結構設計，催生新概念武器裝備

仿生設計往往具有復雜的幾何結構，例如說蜂窩結構、復雜點陣結構、纖維角度和方向多變結構、弧面（波浪）型結構、混合材料及梯度結構等，通過傳統制造方法難以實現。增材制造技術能夠實現設計中的各種“微結構”，在實現仿生設計、梯度設計等方面具有獨特的優勢。近年來，美歐利用增材制造技術實現仿生結構設計、梯度結構制造等方面取得了多項成果。

典型進展包括：（1）開發仿生“傳感羽毛”改善飛機性能。英國BAE系統公司于2017年利用增材制造技術開發出“傳感羽毛”，能夠在飛機出現失速危險時提前預警，還可改變靠近飛機表面的氣流，有效減少機翼遇到的阻力，提升飛機速度，未來有望用于戰斗機等武器裝備中；（2）開發用于人體防護的仿海螺殼材料。2017年，麻省理工學院采用增材制造技術制造出仿海螺殼的工程材料，該材料的防裂紋擴展性能是最強基材的1.85倍，是傳統纖維復合材料的1.7倍，非常適合用于制備抗沖擊防護頭盔或人體裝甲；（3）利用增材制造實現可變形軟體機器人。美國陸軍基于含有鐵磁微粒的彈性體復合材料，并對結構、磁疇和磁場的信息進行編程，實現機器人的復雜形狀變化，從而完成爬行、翻滾、跳躍或抓取等“動作”，滿足美陸軍在機器人與自治系統研究需求；（4）實現多金屬混合火箭發動機點火裝置。NASA一直在制造和評估由多種金屬制成的增材制造火箭部件，并于2017年9月成功測試了首臺由鉻鎳鐵合金和銅合金3D打印制成的火箭發動機點火器，突破了多金屬增材制造部件的技術瓶頸。

目前，該應用方向主要開展了智能仿生結構設計、3D功能梯度材料開發、梯度結構增材制造、多種材料集成等關鍵技術研究。未來，將有大量采用仿生結構、梯度結構設計的新型武器裝備問世，例如仿生飛行器、仿生潛艇、仿生軟體機器人等。隨著新材料開發以及多材料集成技術的發展，增材制造技術將在催生新概念武器裝備中發揮越來越重要的作用。

3 將電子器件打印至武器裝備中，實現結構功能一體化

傳統的電子元器件通常是堅硬的，而柔性電子器件以其獨特的柔性和延展性，在武器裝備中具有廣泛的應用前景。采用增材制造技術，將超薄的導電油墨等材料直接打印到柔性基底材料上，可實現武器裝備的結構功能一體化。近年來，外軍積極利用增材制造技術改進裝備設計，實現結構功能一體化。

典型進展包括：（1）將電子器件直接打印到武器裝備上，提高裝備性能。美國陸軍嘗試采用增材制造技術將電子器件打印至頭盔、戰服、無人機和火炮等裝備上。研究人員使用噴墨打印機和電流傳導油墨（如銀納米粒子）來打印電子器件，從而直接將傳感器打印至武器裝備或衣服中；（2）開發新型3D打印可穿戴天線，可用于戰場通信和監控等。印度軍方開發出一種輕量、靈活和防水的3D打印天線，可以植入士兵們的軍服中，該設計（由環氧樹脂基板和薄銅膜組成）比傳統的天線模型要靈活得多；（3）利用3D打印實現發動機葉片的監測功能。英國利用氣溶膠噴射技術將應變及光學蠕變傳感器直接打印到噴氣發動機壓氣機葉片表面上，可用于監測葉片情況，提高燃油效率，降低航空航天器維護成本。

目前，該應用方向主要開展了結構功能一體化設計、增材制造新材料開發、多材料3D打印等關鍵技術研究。未來，雷達、天線、探測器等電子器件將更多采用增材制造技術生產，而柔性電子器件的增材制造是未來發展的熱點。此外，還將實現可穿戴式傳感器、嵌入式電子器件的高效、低成本制造，大幅提升裝備性能。

4 增減材混合制造技術大幅提高武器裝備生產速度

金屬增材制造技術在加工精度上與傳統加工相比較低，因而受到極大限制。將增材制造與傳統加工工藝有機地集成起來，成形件加工完成后無需后處理即可直接投入使用，大幅縮短了制造時間和生產成本，還可拓寬原材料范圍，減少生產過程中切削液的使用，實現綠色加工。近年來，增減材混合加工工藝與裝備不斷涌現，在提高制造精度，增大制造尺寸、提高生產效率等方面取得多項進展。

典型進展包括：（1）洛馬公司建造世界首臺多機器人增減材混合制造系統。該系統由兩個機器人串行工作，適用于多種材料，可實現包括增材制造、減材加工、工藝過程監測、可視化檢測、熱測量等多種功能，能夠顯著提升大型復雜結構的制造效率，降低制造成本；（2）美國Fabrisonic公司開發出能在現有超聲波增材制造設備中協同定位增減材單元的專利技術。該技術將超聲波增材制造焊接頭轉變為一臺標準數控銑床刀庫中的一個工具，通過協同定位數控銑床中的焊接和銑削功能進行零件加工制造，成形速度可達245.8cm3/h，同時可提高加工精度，增大零件制造尺寸；（3）GE公司大力推動增減材混合制造工藝發展。GE公司基于增減材混合制造工藝，對航空發動機燃料噴嘴等航空部件進行再設計，使其重量下降、零件數量減少、耐用度和功能性有所提高。

目前，該應用方向開展的關鍵技術研究主要包括：零部件再設計、增減材混合制造系統開發等。隨著航空航天等領域對高性能復雜零件需求日益突出，如何兼顧零件復雜成形和高精度加工將受到廣泛關注。未來，增減材混合制造系統將不斷涌現，極大提高了成形效率和質量，將有力推動增材制造技術在批量化生產中的應用，將武器裝備研制生產的周期縮短一半以上。

5 高溫合金增材制造成熟用于武器裝備核心部件高質量制造

高溫合金通常的工作溫度超過600℃，在高溫下的強度、延性、抗蠕變性能以及抗腐蝕能力能強。對于高溫合金零部件，增材制造技術不僅能夠縮短生產時間、降低生產成本，還能優先考慮功能設計，非常適用于制備航空發動機及燃氣輪機噴嘴、葉片、燃燒室等熱端部件，以及航天飛行器、火箭發動機等復雜零部件。近年來，高溫合金增材制造技術發展迅速，已航空航天領域實現了多項應用。

典型進展包括：（1）航空發動機采用鎳基合金增材制造零部件。賽峰集團eAPU60微型渦輪發動機采用了增材制造的鎳基合金噴嘴，并作為AW189型直升機的輔助動力裝置的核心部件之一；羅·羅公司在XWB-97發動機中采用了增材制造的鎳基合金前軸承座結構件，有助于提升發動機性能；（2）增材制造鎳基合金用于火箭發動機部件。2017年，美國洛克達因公司與美國空軍合作開發了價值約1.15億美元的AR1火箭發動機，旨在取代俄制RD-180發動機。AR1火箭發動機采用增材制造一種高強度、耐燒蝕性好的鎳基超金屬合金材料，無需表面涂層；（3）空客部署高溫合金的大型工業級金屬增材制造系統。西亞基公司向空客交付的電子束增材制造（EBAM）110系統，能夠在打印過程中實時監測和控制，可用于許多金屬和難熔合金，如鈦、鉭、鈮、鎢、鎳和不銹鋼等。

目前，高溫合金增材制造作為目前的研究熱點與前沿方向，目前主要圍繞鈦合金、鎳基高溫合金、鈷鉻高溫合金等材料開展了大量的技術與應用研究。該應用方向主要開展的關鍵技術研究主要包括：開發模型、性能預測、高溫合金增材制造標準化等。未來，高溫合金增材制造將成熟用于航空發動機、軍用發動機、燃氣輪機等裝備，主要在燃氣式、渦輪葉片、渦輪盤等核心部件的制造中使用，有望大幅降低武器裝備的生產成本，縮短生產周期。

6 實現槍械等輕型武器裝備的直接制造

直接零部件制造是近年來增材制造技術應用發展最快的領域，尤其是金屬增材制造技術的發展，與傳統制造方法相比在提高生產效率，降低成本等方面有顯著優勢，有助于實現武器裝備的快速制造及部署。近年來，美軍在采用增材制造技術進行槍械、輕型無人機等武器裝備的直接制造方面取得了多項突破。

典型進展包括：（1）快速制造出榴彈發射器。美國陸軍于2017年成功打印出榴彈發射器，其中榴彈發射管和受彈器采用直接金屬激光燒結鋁粉制造，觸發器、撞針等其它零部件采用增材制造4340合金鋼粉末，制造周期大幅縮短，未來有望在短短幾個小時或幾天內實現對戰士武器的改進和修理；（2）直接制造用于偵查的蜂群微型無人機。這種微型無人機的機翼寬度僅約2.54厘米，可由F-16和F A/18戰機發射，也可由地面投擲或像彈弓一樣發射升空，它們能夠根據實際戰場情況發現隊友并組成“蜂群”隊形，可用于偵查等任務；（3）開發新型耐腐蝕兩棲無人系統。美國約翰·霍普金斯大學為海軍開發出一種名為“耐腐蝕空中隱蔽無人航海系統”的兩棲無人機，機身采用增材制造技術制造，具有構件數量少、機身重量小、接縫數量少和耐腐蝕性強等優點，可防止發動機進水，并可長時間浸沒水中，具有良好的隱蔽性。

目前，該應用方向主要開展了建立材料、工藝和性能數據庫，提升設備傳感能力，制定相關規范和標準，提高增材制造產品質量等關鍵技術研究。未來，隨著增材制造技術的不斷進步，有望實現各種復雜結構、復合材料的快速按需制造，并將成為武器裝備制造的一個重要手段，例如槍械、微小型無人機、衛星、頭盔、戰斗部以及一些小型海上裝備將采用增材制造進行直接制造。

7 實現高價值關鍵件的修復，大幅節約維修成本

武器裝備關鍵件在工作中出現損傷，傳統修復手段和修復效果往往不能滿足作戰需求。增材制造為零部件維修提供了個性化、高效率的實現手段，能夠大幅降低成本，適用于戰場裝備的應急維修保障。近年來，利用增材制造技術進行渦輪葉片等航空發動機核心部件的修復和再制造是軍事強國的發展重點。

典型進展包括：（1）采用增材制造進行飛機零部件修復。以色列空軍采用增材制造技術為服役30年的飛機生產替換零件，并已經取得顯著成功，飛機性能比開始服役時更好，而且還會在進一步修復或召回之前延長使用約十年左右的時間；（2）在美國海軍不同類型、不同型號的海軍裝備上得以廣泛應用。如艦艇主船體（如洛杉磯級核潛艇垂直發射筒壁（VLS tube）、航空母艦彈射器導軌蓋板等）、艦艇動力裝置（如弗吉尼亞級核潛艇推進器主軸、洛杉磯級核潛艇（SSN-688）推進軸密封面等）及水中兵器（魚雷汽缸缸體、連桿等），應用成效顯著；（3）將增材制造技術用于坦克懸臂的修復。美國安妮斯頓陸軍基地采用激光凈成形（LENS）技術，對M1艾布拉姆斯坦克的補償懸臂的受損表面進行了修復。懸臂的替換成本是2000美元，而修理成本是750美元，成本節省超過60%。

目前，該應用方向主要開展了快速檢測方法、增材制造修復技術、建立無損檢測和工藝控制方法等關鍵技術研究。未來，增材制造技術用于武器裝備及關鍵零部件修復方面將更加成熟，并成為武器裝備修復和維修的首選方法，能夠大幅降低后勤維護成本，同時節省人力和時間成本。

8 實現遠征戰地、海上作戰平臺、太空等現場按需制造

使用作戰基地的原生材料實現遠征戰地制造，可減少在遠征戰場所需的龐大物流鏈、節省寶貴資源，提升備戰水平和自給自足的能力，同時保護作戰人員的安全。近年來，現場按需制造受到軍事強國的高度重視，尤其是美軍正在開展多項研究，希望能夠直接在遠征戰地、海上以及太空等環境下進行增材制造，提升應急響應能力。

典型進展包括：（1）在遠征戰地現場按需制造方面。早在2003年伊拉克戰爭期間美國陸軍就將一個含有金屬增材制造模塊的“移動零件醫院”（MPH）部署在科威特，該設備累計加工制造了大約100000件戰損零部件的替換件以及特殊工具，節約成本39萬美元；2012-2013年，美國陸軍在阿富汗部署了兩個類似的現場制造維修設備“遠征移動實驗室”（ELM），其增材制造模塊可現場生產武器裝備塑料零部件； （2）在海上平臺現場按需制造方面。美國海軍近兩年積極發展艦船海上按需生產備件的能力，2014年美國海軍已成功將3D 打印機安裝在埃塞克斯號兩棲攻擊艦上，用于艦上現場制造油箱蓋、飛行甲板模型等小型零部件。美國海軍陸戰隊正在開發移動式增材制造實驗室（X-FAB），通過部署到艦船等不同環境中，為其提供遠征增材制造能力；（3）在太空現場按需制造方面。美國在2014年就提出了太空增材制造的想法，通過開發太空現場制造系統，可在軌生產全功能作戰空軍衛星；同年， NASA在國際空間站成功安裝世界首臺零重力3D打印機，并打印了21個熱塑性樹脂零件用于設備性能驗證。歐洲也已將其首臺太空3D 打印機POP3D送至國際空間站。2018年，德國聯邦材料測試研究院成功實現零重力條件下金屬件的制造，取得重大突破。

目前，該應用方向主要開展的關鍵技術主要包括：戰場材料回收再利用、移動式增材制造系統開發、開發反求工程設計工具等。未來，增材制造技術將在海、陸、空戰場中獲得真正部署應用，通過開發創新的敏捷制造車間，在現場按需打印替換件或實現對零部件的修復來減少零件的采購和庫存，為作戰部隊提供更快且更加安全的后勤支援。