這些國(guó)家制造創(chuàng)新研究所正在從事的研究與開(kāi)發(fā),涉及許多領(lǐng)域,這部分是受軍事需求的影響。研究所的設(shè)置由政府資助,也受到由學(xué)術(shù)界、政府、產(chǎn)業(yè)界成員組成的顧問(wèn)委員會(huì)支持。比如,空軍研究實(shí)驗(yàn)室通過(guò)參與項(xiàng)目評(píng)審和技術(shù)工作組,以及通過(guò)參與機(jī)構(gòu)指示的項(xiàng)目,來(lái)支持這些研究所的工作。

▲NNMI計(jì)劃最初由奧巴馬總統(tǒng)在2012年提議，他在其2013財(cái)政年度預(yù)算中為此增撥了10億美元經(jīng)費(fèi)

AM技術(shù)的未來(lái)機(jī)遇和挑戰(zhàn)

打印零件目前仍然主要依靠材料的逐層堆積生成3D結(jié)構(gòu)。然而,新的技術(shù)和使用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)。AM技術(shù)將來(lái)肯定會(huì)看到提供各種應(yīng)用選擇的大量企業(yè),既有能提供高產(chǎn)工業(yè)打印機(jī)的大公司,也有專精某項(xiàng)獨(dú)特應(yīng)用的小型初創(chuàng)公司。在2016年,擠壓成形和選擇性激光燒結(jié)打印機(jī)的兩家龍頭制造商,即斯特塔西公司和3D系統(tǒng)公司,與惠普公司推出的新計(jì)算機(jī)輔助印刷技術(shù)和碳3D公司推出的連續(xù)液體界面生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。這些新技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)有,打印時(shí)間比現(xiàn)行打印機(jī)快10~100倍,并改善表面光潔度。起始原料在產(chǎn)品質(zhì)量的整體改進(jìn)中也起著不可或缺的作用。雖然丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)和聚乳酸(PLA)塑料絲狀體仍然被許多打印機(jī)廣泛使用,但可以利用的材料種類正在穩(wěn)步增多,包括專門(mén)設(shè)計(jì)的復(fù)合材料、玻璃、陶瓷及導(dǎo)電油墨。新興打印機(jī)公司和材料供應(yīng)商之間加劇的競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了AM技術(shù)的應(yīng)用,但隨著大規(guī)模采用AM技術(shù),材料的成本將始終是一個(gè)擔(dān)憂。有些討論在思考如何利用本地資源與資產(chǎn),例如使用回收材料,這種思考對(duì)于那些需要遠(yuǎn)程運(yùn)送物資來(lái)打印物件的邊遠(yuǎn)地區(qū),尤其相關(guān)。天然資源,比如沙、粘土、有機(jī)物殘骸、可采收的海洋物質(zhì)等,也正被考慮用作可選材料。

     3D打印出的結(jié)構(gòu)尺寸越來(lái)越大,包括中國(guó)、意大利和美國(guó),都已在制造低成本的模塊化建筑物。這種大型結(jié)構(gòu)的逐層可調(diào)節(jié)建筑物,被比作千年古老的金字塔——不僅規(guī)模雄偉壯觀,而且含有復(fù)雜的內(nèi)部通道。雖然這些結(jié)構(gòu)的規(guī)模非常了不起,但是要使AM成為“改變游戲規(guī)則的革命性技術(shù)”,只有提高基本建筑塊體材料和打印機(jī)配置的功能性,才有希望促成最具革命性的軍事應(yīng)用。一些前期工作已經(jīng)證明,選取傳感器并置入打印結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能“嵌入”,是向更先進(jìn)3D打印裝置邁進(jìn)的一步。促成電子產(chǎn)品導(dǎo)熱和導(dǎo)電性的材料(例如跡線、焊料等)利用納米成分(例如銀和碳納米管)的獨(dú)特性能,正在迅速發(fā)展。配方的發(fā)展導(dǎo)致了呈現(xiàn)剪切稀化的“油墨”,可適用于能在市場(chǎng)買(mǎi)到的、使用注油筒式打印的3D打印機(jī),也適用于由商用打印機(jī)改造的多打印頭、多材料印刷打印機(jī)。這些都是向功能性產(chǎn)品——即由單一系統(tǒng)堆積多種不同材料而制成——邁進(jìn)的重要發(fā)展。

    政府部門(mén)在推進(jìn)技術(shù)方面,起著影響商業(yè)創(chuàng)新方向的作用。例如,在將下一代制造技術(shù)應(yīng)用于多域國(guó)防戰(zhàn)略方面的實(shí)例,可能包括優(yōu)化3D打印和嵌入電子部件、應(yīng)變儀和其它傳感器,將其納入氣動(dòng)結(jié)構(gòu)和作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)斗裝備中,用于監(jiān)測(cè)環(huán)境、操作表現(xiàn)及磨損情況,并提供通信冗余。有些技術(shù),如為了更適合女飛行員體型結(jié)構(gòu)的座椅拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),可以根據(jù)3D打印的座椅原型來(lái)改進(jìn),結(jié)果會(huì)更舒適并減少事故。座椅、頭盔及其它裝置甚至可以為每個(gè)人量身定做,從而創(chuàng)造一個(gè)真正適合個(gè)人的飛行環(huán)境。隨著先進(jìn)材料和打印機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn),我們也能期望看到越來(lái)越多完全是打印出來(lái)的無(wú)人機(jī)和機(jī)器人執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)。AM紡織品領(lǐng)域的發(fā)展,有助于制造出軍用的生物監(jiān)測(cè)智能纖維織物,還可以打印按需設(shè)計(jì)的營(yíng)養(yǎng),作為軍人伙食替代品。大規(guī)模打印的結(jié)構(gòu),尤其是使用本土材料,適合用于救災(zāi)和迅速建造軍營(yíng)。

利用傳統(tǒng)上一直用于減材制造的軟件來(lái)制作原創(chuàng)3D打印設(shè)計(jì),依然存在著挑戰(zhàn)。現(xiàn)在,許多公司正在努力開(kāi)發(fā)真正增材性質(zhì)的軟件,即從白板一塊開(kāi)始,而不是從全部填滿材料的板塊著手。隨著軟件的發(fā)展,生產(chǎn)原創(chuàng)設(shè)計(jì)需要的實(shí)際時(shí)間,會(huì)成為快速樣機(jī)制造的一個(gè)限制因素。解決方案之一是對(duì)一個(gè)相似物件進(jìn)行掃描,形成文件,然后進(jìn)行修改。或者,可以根據(jù)一個(gè)部件編號(hào)或掃描物體進(jìn)入一個(gè)儲(chǔ)存高分辨率文件的數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行挑選。迪斯尼公司已經(jīng)申請(qǐng)這樣一個(gè)“用于3D打印物體識(shí)別”的專利,即,利用一份低分辨率掃描文件,來(lái)匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中的高分辨率復(fù)印件,并打印成物體。這種技術(shù)一旦廣泛流行,采辦過(guò)程就能被縮減到最簡(jiǎn)單的形式,也會(huì)通過(guò)AM而變得遠(yuǎn)更靈敏而快捷。比如,可以獲取打印機(jī),并與有關(guān)材料及文件一起投放到戰(zhàn)地,在現(xiàn)場(chǎng)打印需要的戰(zhàn)車和系統(tǒng)。

    政府和軍方努力中的一個(gè)首要挑戰(zhàn),是有效地協(xié)調(diào)AM研發(fā)活動(dòng)。日益上升的擔(dān)憂是:高度官僚性質(zhì)的國(guó)家制造研究所和有關(guān)單位之間普遍缺少共識(shí)與協(xié)作,正導(dǎo)致一種各自為陣的零敲碎打性研發(fā),造成努力重復(fù)和成本升高,也削弱AM帶來(lái)的最終利益。一種補(bǔ)救措施是,建議用嚴(yán)格但靈活的治理結(jié)構(gòu)形式重組所有AM活動(dòng),比如,在政府各部門(mén)設(shè)置中央AM領(lǐng)導(dǎo)人,其職責(zé)包括協(xié)調(diào)AM戰(zhàn)略和政策,并向所有計(jì)劃實(shí)施AM的各部門(mén)組織發(fā)布指導(dǎo)。具體建議由國(guó)防部部長(zhǎng)辦公廳,尤其是其屬下的新興能力與原型設(shè)計(jì)辦公室來(lái)主導(dǎo)這項(xiàng)改革和制定戰(zhàn)略愿景,作為一項(xiàng)解決方案。因此,要想形成真正的前進(jìn)動(dòng)力,需要隨著技術(shù)革新的發(fā)展步伐,及時(shí)改革AM努力的目前結(jié)構(gòu),將之推向更具前瞻性思維的態(tài)勢(shì)。我們不僅要把握并推進(jìn)本文談到的美國(guó)空軍高層戰(zhàn)略文件中描繪的愿景,我們的領(lǐng)導(dǎo)人更需要破除各種虛浮宣傳,了解并展現(xiàn)關(guān)鍵的差距,以及彌補(bǔ)這些差距的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如,在軍隊(duì)供應(yīng)基地層次實(shí)施AM技術(shù)方面我們目前面臨著什么挑戰(zhàn)?此外,與整個(gè)AM領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步相比,軍事應(yīng)用方面在近期可獲得哪些收益?

▲為了擴(kuò)大AM技術(shù)在軍事領(lǐng)域的戰(zhàn)略應(yīng)用，應(yīng)該充分利用種類繁多的現(xiàn)有材料、日益發(fā)展的打印機(jī)技術(shù)和既定的各種計(jì)劃，發(fā)揮這三者聯(lián)結(jié)所產(chǎn)生的合力

結(jié) 語(yǔ)

     為了擴(kuò)大AM技術(shù)在軍事領(lǐng)域的戰(zhàn)略應(yīng)用,應(yīng)該充分利用種類繁多的現(xiàn)有材料、日益發(fā)展的打印機(jī)技術(shù)和既定的各種計(jì)劃(包括國(guó)家制造創(chuàng)新研究所),發(fā)揮這三者聯(lián)結(jié)所產(chǎn)生的合力,來(lái)實(shí)現(xiàn)全軍為長(zhǎng)遠(yuǎn)努力而規(guī)劃的愿景。我們的目標(biāo),是隨著材料的發(fā)展(例如導(dǎo)熱/導(dǎo)電油墨)和打印能力的提升(例如多材料打印),而推動(dòng)AM技術(shù)從形式向功能發(fā)展,這種努力已初見(jiàn)成效,例如我們已制造出嵌入式傳感器。運(yùn)用AM技術(shù)盡可能提升美軍的戰(zhàn)略和戰(zhàn)役機(jī)敏性,可為決策者提供多種可行方案,來(lái)應(yīng)對(duì)國(guó)家面臨的多領(lǐng)域挑戰(zhàn)。將AM技術(shù)納入軍事應(yīng)用,對(duì)物流和后勤支援意義廣泛深遠(yuǎn),因?yàn)樗�能形成快速�?shí)地制造能力。AM帶來(lái)的時(shí)間和成本節(jié)約效益,有可能徹底改變國(guó)防采辦流程,并重新界定系統(tǒng)產(chǎn)品的合格鑒定和認(rèn)證過(guò)程。因此,必須大力開(kāi)發(fā)AM技術(shù)應(yīng)用,把握這個(gè)機(jī)會(huì),提升實(shí)施多元多域國(guó)防使命的機(jī)敏能力;跨出這一步,將有助于保障美國(guó)保持全面優(yōu)勢(shì),從容應(yīng)對(duì)國(guó)家安全面臨的各種新現(xiàn)威脅。

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