美F-22戰機用上3D列印技術，能否補上後期維護「短板」？

近日，美空軍稱已為F-22隱身戰鬥機加裝了3D列印的鈦制部件。如果順利接受測試，它將在維護期間安裝到所有F-22上。目前，至少有5個3D列印的金屬部件有待在F-22上進行檢驗。

美軍2018年的一份報告指出，維護及數量少是導致F-22在全世界範圍內可用率低的主要原因。如果能充分應用3D列印技術，帶來的後勤保障的變化將使戰力得到大幅提升。

國防科技大學國防科技戰略研究智庫王群教授對科技日報記者表示，「這幾年，3D列印技術的軍事應用日益廣泛，美空軍此次用其用為F-22列印鈦制金屬支架就是明證。實際上，之前美空軍的另一款隱身戰機F-35就已經使用了該技術，美國『杜魯門』號航母還首次安裝了3D列印金屬部件。然而，要使這種先進技術在軍事上得到進一步的應用和普及，還必須大力研發列印材料，這是當下它面臨的最大問題之一。材料發展相對滯後，使3D列印目前只能是傳統製造技術的補充。」

3D列印大幅降低F-22維護成本

3D列印技術又稱為「快速成型」或「增材製造」技術。一般來說，它與傳統製造業的「減材製造」技術相比，具有製造周期短、效率高、材料省、成本低等明顯優勢。早在2012年，美國《外交政策》雜誌網站的一篇文章，就將3D列印武器排在未來需要關注的軍事技術榜首！

美國五代戰機要大量用到鈦合金，F-22上就有很多特製的鈦合金部件。資料顯示，在F-22上一些承力大型鈦合金隔框都是用鍛件製成的整體，其中最重的鍛件近3000千克，尺寸3.81m×3.17m，但切削加工後的成品件不到150千克，利用率只有5%多一點。

「這導致鈦合金的材料浪費嚴重。因為傳統工藝屬於減材製造，製作部件時經過制模、鍛造、切割、打磨、拋光等一系列工序，很多材料都『裁剪』掉了。而3D列印是增材製造，理論上『一次成型』，無需制模和其他傳統的複雜工序，材料基本可『按需配給』，大大增加材料的利用率。」王群說。

比如要列印一個金屬部件，先操作計算機讀取列印文件中的切面信息，讓列印噴頭在文件指令的控制下，以切面形狀噴出金屬粉末，然後通過激光束加熱，讓其熔化和固化後形成與切面形狀相同的平面薄層。接著再控制列印噴頭，在已形成的平面薄層上按照相鄰的下一個切面形狀，噴出薄層並固化粘合。如此往複，最終就能把一個個與部件切面形狀相同的平面薄層，逐層堆砌並粘結成所需要的3D實體部件。

「正是因為製造方式的不同，3D列印能大大降低原材料的消耗，同時也降低了成本。」他指出。

記者了解到，此前美海軍陸戰隊的一個研究團隊，利用3D列印為F-35起落架製造了一個部件，成本僅9美分，推廣應用後可使每架F-35的維修費用降低7萬美元。而早在2012年，美國新型電子束3D列印技術就已取得重要突破，具備大型金屬部件加工能力。美國防部和洛馬公司，準備將其用於生產F-35的鈦、鉭、鉻鎳鐵合金等高價值材料的高品質部件。

彌補F-22因停產導致的部件供應問題

王群說：「以往，對特殊或定製部件，要先向廠家提出需求，廠家據此完成設計製造。這不但需要較長的生產周期，而且批量小的話，成本也不『秀氣』。美國F-22早在2009年就已停產，這意味著某些部件可能面臨無備件的尷尬局面。再專門讓廠家製造，生產周期和費用都是不得不考慮的問題。同時，產品最終送到用戶手中，還要疊加不菲的運輸和時間成本，這也不能忽視。而3D列印，只要構建出產品的3D列印模型並形成列印文件，就能方便、快捷地製作出產品即刻投入使用。」

在前述新聞中，美空軍某維修中隊的負責人羅伯特·盧因指出，F-22的數量有限，因此會出現一定的部件供應問題，此時則需要3D列印彌補這一缺陷，且可省去很多供應環節，讓維修人員能以最快的速度得到所需部件，更可免除訂單數量少無法供貨的擔憂。他表示，「如果我們能用3D列印製造出更為複雜的部件，那麼戰機的維修時間將大大縮短到60或70天。」

「此外，3D列印對列印操作人員的技術要求也不高。普通人，只要經過簡單的培訓基本就能勝任。同時，它對製造場地也無較多限制，還能實現遠程製造。比如，艦船或其上的武器更換部件，傳統上需要從後方通過空運或海運方式送到艦船上，但3D列印只要能用網路將『圖紙』傳輸過來，現場就能完成零部件的製造。」王群說。

此前，北約「三叉戟接點」軍演，就傳出了使用3D列印備件修好了因寒冷而引起故障的卡車、坦克的消息。北約秘書長斯托爾滕·貝格就此表示，3D列印製造備件可立即交付，無需等待從倉庫運來。要知道，有時卡車上一個2.51美元的滅火帽從美國運輸過來就需要126天。

大規模軍事應用尚存在問題

總體來說，3D列印特別適合緊急情況下的部件置換，比如對戰場上損傷武器裝備的應急維護，現地就能為其快速、低成本地製作部件，不再需要以往那樣由部隊大量攜帶。

「正因為具有這樣一些優勢，3D列印在軍事上的應用變得越來越廣泛。」他表示，美軍早在2012年和2013年，就在阿富汗戰場部署了兩個基於3D列印技術的移動遠徵實驗室，並開展相應的裝備維修保障研究。

記者了解到，近年來3D列印軍事應用的案例有很多。

2013年，美國得州一家公司就宣布用金屬粉末製造並測試了世界上第一支3D列印金屬槍。如今，特朗普政府更是允許公眾從網路上下載3D列印槍械藍圖。

2015年7月，英皇家海軍艦艇在海上試飛了一架3D列印的無人機。它重約3千克，翼幅1.5米長。

2017年，美軍製作的RAMBO M203A1榴彈發射器，除了彈簧和少量固定零件外，整體都利用3D列印製作，並通過了美陸軍的測試。

……

「除了製造武器裝備及部件，3D列印還能改變戰場保障方式，比如在戰場應急救護中，為傷員列印夾板和固定物，甚至列印受損的關節、頭骨和某些器官。再比如，現地為部隊列印營房和障礙物、偽裝物等。」王群介紹。

「當然，3D列印目前尚難實現『製造萬物』。正確地說，它仍處於發展階段，暫時只能是傳統製造的補充。如果想在軍事上大規模應用，還有一些問題亟待解決。首先是可用材料有限，經常是『有鍋無米』，尤其是工業級的，導致目前有些產品的強度和質感等多有欠缺，可靠性不高、穩定性不好，特別是承重和耐用部件，而這些對軍事裝備又恰恰非常重要。比如，之前報道的3D列印手槍，發射幾發子彈就會解體。F-22使用的有些3D列印部件剛性、韌度和硬度不達標，實際只能臨時替代用，日後還需換上傳統製造的部件。」王群說，「其次是列印精度不夠，這也是軍事裝備的另一根本要求。當下3D印表機的送絲或噴擠速度都不很高，產品的分層切片厚度不可能很薄，造成產品表面較粗糙、精度不夠、品質不穩定。最後是前期準備要求高，3D列印建模軟體還不多，產品建模並不簡單，技術要求高，時間精力投入多，尤其是對大型或複雜、特殊的產品。」

來源：科技日報 作者：張強

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