導讀：隨著3D打印技術能在數小時內(nei) 打印出複雜產(chan) 品，這對軍(jun) 火工業(ye) 的改革產(chan) 生了巨大的影響。2020年，全球軍(jun) 費開支估計約為(wei) 1.83萬(wan) 億(yi) 美元（約11.86萬(wan) 億(yi) 人民幣），而且預計這一趨勢將會(hui) 持續下去。隨著世界各地的國防領域所需彈藥、工具和機器零件的增加，增材製造是支持這一龐大而複雜的供應鏈的有效途徑。

△軍(jun) 事3D打印，為(wei) 國防工業(ye) 節省時間和金錢。

3D打印槍支、子彈和炸彈

槍支、子彈和大炮是軍(jun) 隊武器庫中最基本的元素。2017年，有統計顯示全球軍(jun) 隊中流通的槍支約有1.33億(yi) 支，另外還有10萬(wan) 支火炮武器。此外，每年生產(chan) 大約100億(yi) 顆子彈。從(cong) 這個(ge) 數字來看，就算射殺地球上的每個(ge) 人，仍有近25億(yi) 顆子彈備用。為(wei) 了讓槍支和大炮發揮作用，需要精確、耐用的結構。因此，槍管、子彈殼和大炮需要完美地校準到毫米。此外，它們(men) 需要高拉伸強度以防止斷裂或裂紋，同時滿足耐熱性要求。子彈和大炮外殼尤其需要由廉價(jia) 、堅固的材料製成。

△每年生產(chan) 100億(yi) 顆子彈，短期內(nei) 不會(hui) 出現短缺。

Titomic和Repkon在2021年4月簽署了一項協議，在澳大利亞(ya) 建設3D打印設施。將Repkon的汽缸製造專(zhuan) 業(ye) 知識與(yu) Titomic的3D打印技術結合，增強澳大利亞(ya) 國防製造工藝。總部位於(yu) 土耳其的Repkon在金屬製造技術方麵擁有近四年的經驗，例如熱旋壓、流動成型和剪切成型，用於(yu) 生產(chan) 彈頭、槍管、彈殼和導彈體(ti) ，以及其他設備。

△國防工業(ye) 依賴高效、完美校準的圓柱形金屬部件，無論是槍管還是子彈殼。圖片由Repkon提供。

Titomic總部位於(yu) 澳大利亞(ya) ，以冷噴塗增材製造工藝聞名。這項技術是與(yu) 澳大利亞(ya) 聯邦科學與(yu) 工業(ye) 研究組織（CSIRO）共同開發的，Titomic擁有工藝商業(ye) 化的獨家權利，可以將鈦或鈦合金顆粒的冷氣動態噴塗應用到腳手架上，產(chan) 生承重結構。TitomicKinetic Fusion (TKF) 使用加壓氣體(ti) 以超音速將金屬粉末沉積到基材上（既可以是構建平台，也可以是現有金屬零件）。在這樣的速度下，撞擊時釋放的高動能使金屬顆粒發生塑性變形並將它們(men) 粘合在一個(ge) 極其致密的層中。隨著更多金屬粒子的沉積，緊密結合的金屬零件層將會(hui) 形成所需的形狀，幾乎不需要後處理。TKF工藝將材料損失減少了90%，同時將溫室氣體(ti) (GHG) 排放量減少了60%，並且已在航空航天和國防領域得到廣泛應用，例如可用於(yu) 飛行的航空部件和高性能火箭部件。

△TKF是“冷噴塗”增材製造工藝，不使用激光或其他熱源來熔化粉末形狀。所需能量都來自加壓氣體(ti) 的動能。圖片由Titomic提供。

TKF的構建速度非常快，TKF 9000的構建速度為(wei) 每小時75kg，能夠生產(chan) 最大體(ti) 積為(wei) 9m x 3m x1.5m 的零件。產(chan) 品具有高拉伸強度，孔隙率為(wei) 0.3%。Titomic打印機使用各種不同的金屬和合金粉末，包括鈦、銅、鋼、鎳、Inconel 718 和Invar 36。

△TKF9000超大型工業(ye) 3D打印機。圖片由Titomic提供。

通過TKF，Titomic開發了融合不同金屬的方法。例如，先打印鈦層，然後在上麵打印鎳或鋼等其他金屬層，從(cong) 而創建一個(ge) 多金屬組件，利用所有金屬的優(you) 點。TKF還可以製造以不同比例混合並在打印過程中融合的異質合金。工藝能夠對聚合物、塑料和陶瓷工具進行金屬化處理，提高耐用性，並以具有成本效益的方式及時賦予零件更多特性。無論是多金屬熔合、異質合金還是金屬化，都可以在軍(jun) 事領域（包括從(cong) 火炮外殼、槍管到防彈衣和機器零件）應用。

△TKF可以使用不同金屬打印單個(ge) 組件。此部件具有純鈦部分、鈦和銅異質合金部分以及鎳超合金部分。圖片由Titomic提供。

2020年2月，Titomic與(yu) 全球國防製造商Composite Tech簽署了2250萬(wan) 澳元（約1.1億(yi) 人民幣）的協議，使用增材製造技術為(wei) 北約提供國防產(chan) 品。作為(wei) 交易的一部分，將向Composite Tech提供兩(liang) 台TKF打印機。

冷噴塗工藝的其他軍(jun) 事應用

槍支、子彈和大炮並不是軍(jun) 方需要的唯一關(guan) 鍵裝備。機器零件、車輛零件、建築工具和其他設備等對軍(jun) 隊也至關(guan) 重要。因此，停機時間、後勤失誤和延遲以及更換或維修成本對軍(jun) 隊來說是一個(ge) 嚴(yan) 重的損害。考慮到軍(jun) 事任務的時間敏感性，各個(ge) 國防部門已經開始探索將戰場和增材製造結合的可行性。例如，美國海軍(jun) 已經在與(yu) xerox合作，在船上3D打印機器零件，減少停機時間並保持高產(chan) 量。

△美國海軍(jun) 艦隊圖表。為(wei) 龐大的移動艦隊安裝新零件或更換零件不僅(jin) 花費過多，而且還會(hui) 浪費大量寶貴時間。圖片由NavalGraphics提供。

另一家澳大利亞(ya) 增材製造公司SPEE3D，與(yu) Titomic一樣，使用氣室以3馬赫（約3675千米/小時）的速度噴射金屬粉末，使金屬塑性變形為(wei) 致密層。這種冷噴塗工藝被稱為(wei) “Supersonic 3D沉積”，以這種方式打印的所有部件都經久耐用且價(jia) 格實惠，每公斤成本在40到100美元（約259到648人民幣）之間。SPEE3D打印機主要使用銅、不鏽鋼、鋁合金和鋁青銅，它們(men) 具有眾(zhong) 多軍(jun) 事應用所需的抗拉強度、成本效益和耐腐蝕性。

△WarpSPEE3D戰場測試將持續12個(ge) 月，以評估在各種地形下運輸、裝卸、緊急部署和停止以及暴露在沙塵暴等惡劣環境中的能力。圖片由SPEE3D提供。

2020年6月，澳大利亞(ya) 陸軍(jun) 與(yu) SPEE3D達成了150萬(wan) 美元（約972萬(wan) 人民幣）的合作夥(huo) 伴關(guan) 係，管理3D打印機WarpSPEE3D的一係列戰場測試。打印機的構建速度為(wei) 每分鍾100克，可打印重達40 公斤的物體(ti) 。兩(liang) 個(ge) 月之後，澳陸軍(jun) 又在敵對的北部地區（NT）重新部署金屬3D打印機。使用升級後的機器，士兵們(men) 能夠在高達37℃的悶熱溫度下3D打印終端使用部件。

△在試驗過程中，澳大利亞(ya) 陸軍(jun) 第1作戰服務支援營的士兵小組操作了3D打印機，圖片來自SPEE3D

2021年4月，SPEE3D還將3D打印技術與(yu) 遊戲製作相結合，發布了端到端金屬製造模擬器SPEE3DCraft。遊戲開發人員將SPEE3D高速金屬3D打印技術的過程整合到了虛擬應用程序中。模擬器中還顯示了使用SPEE3D技術的真實位置，包括澳大利亞(ya) 內(nei) 陸地區（模擬戰場測試環境）。

△SPEE3DCraft

其他軍(jun) 事3D打印應用

增材製造的應用範圍目前早已超出了打印工具或機器零件等基本功能。隨著3D打印軟件變得越來越複雜，設計和打印複雜零件為(wei) 更多以前無法實現的創新鋪平了道路。例如，美國陸軍(jun) 使用的夜視鏡的標準設計有一個(ge) 選擇開關(guan) ，用於(yu) 打開或關(guan) 閉護目鏡。如果損壞，則無法更換部件，必須丟(diu) 棄整個(ge) 夜視設備。增材製造使美國陸軍(jun) 能夠以更複雜、更耐用的方式重新設計開關(guan) ，不僅(jin) 延長了夜視鏡的生命周期，而且確保部件可以輕鬆製造和更換。

△黑鷹直升機

為(wei) 了增加整個(ge) 機器的使用壽命，2020年10月，威奇托州立大學 (WSU) 的研究人員宣布與(yu) 美國陸軍(jun) 合作開展黑鷹拆除項目。拆卸是指將大型機器（如車輛）拆解為(wei) 最小部件並進行記錄。在這種情況下，研究人員不僅(jin) 會(hui) 記錄黑鷹的2萬(wan) 個(ge) 組件，而且還會(hui) 創建零件的數字模型。目前，黑鷹已經為(wei) 美國陸軍(jun) 服役了近四年，通過3D打印，黑鷹能夠服役更長時間，而不被淘汰。

△ContinuousComposites碳纖維機翼翼梁的結構性能證明達到設計極限載荷的160％

隨著時間推進，許多軍(jun) 事設備生產(chan) 線早已停產(chan) ，但是對於(yu) 仍然能夠繼續使用的設備而言，替換零件就成了問題。因此，增材製造是低成本重新製造替代零件的好方法。在此過程還可以重新設計一些組件以提高性能，利用增材製造甚至可能使早已停產(chan) 的設備重新被使用。例如美國ContinuousComposites開發的連續纖維打印技術CF3D深受美國空軍(jun) 青睞，用於(yu) 為(wei) 空軍(jun) 和航空公司打印機翼。為(wei) 此，還獲得了價(jia) 值75萬(wan) 美元（約486萬(wan) 人民幣）的美國國防部小型企業(ye) 創新研究（SBIR）第二階合同。

△美國應用科學與(yu) 技術研究組織3D打印開發高超聲速生產(chan) 加速器設施，以製造高超聲速飛行器和高超聲速導彈零件。

除了武器製造和機器維修，美國政府正在積極資助3D打印技術的研究。期望從(cong) 根本上開發新技術、材料類別和工藝，使美國能夠保持領先地位。美國應用科學與(yu) 技術研究組織（Astro America）計劃利用增材製造技術（3D打印）來開發高超聲速生產(chan) 加速器設施（HPAF），以製造高超聲速飛行器和高超聲速導彈零件。

△BotFactory電子3D打印機設計圖

另外，美軍(jun) 對於(yu) 各種3D打印的開發和軟件領域也非常關(guan) 注。Inkbit公司開發出的具有視覺反饋控製驅動的3D打印平台和BotFactory的電子3D打印機都為(wei) 下一代軍(jun) 事增材製造提供了新的可能性。2021年3月，克萊姆森大學（Clemson University）與(yu) 美國陸軍(jun) 研究實驗室（ARL）合作加快未來地麵車輛、空中平台和彈藥的新3D打印組件。他們(men) 將創建一個(ge) 配備人工智能的“數字生命周期平台”，幫助工程師更快生產(chan) ，更便宜地設計、分析和製造多功能大型複雜幾何形狀部件。一旦建成，平台將使工程師不必實際構建就可以設計和測試新的打印組件。

△SIMBA獲得了美國空軍(jun) 的撥款，用於(yu) 開發區塊鏈支持的3D打印移動設備。圖片由SIMBA提供。

數字化軍(jun) 事3D打印技術也是一大重點項目。Senvol已經在2021年3月從(cong) 美國海軍(jun) 和空軍(jun) 處獲得更多資金，為(wei) 增材製造機器學習(xi) 軟件SenvolML開發更多的功能。而數據庫也是這家公司的一大亮點。其他相關(guan) 的3D打印數據庫還有3Degrees的traceAM平台。另外，從(cong) 通信角度，美軍(jun) 還將啟用區塊鏈3D打印技術進入戰場。區塊鏈創新者SImple Blockchain Applications（SIMBA）於(yu) 2021年4月14日獲得了美國小型企業(ye) 創新研究（SBIR）的第一階段資助，致力於(yu) 使美空軍(jun) 能夠使用由區塊鏈支持和保護的高級3D打印技術，在全球前線陣地和基地製造、測試和部署複雜的飛機零件和其他武器。相信未來還會(hui) 有更多新的技術會(hui) 被納入軍(jun) 事3D打印領域，讓我們(men) 拭目以待。

參考閱讀：

1. 85% of the world’s 1 billion guns are in civilian hands

2. Is 3D Printing the Future of War?

3. 冷噴塗金屬3D打印武器組件！TITOMIC與(yu) REPKON合作

4. Fuse Dissimilar metals with Titomic Kinetic Fusion

5. 超音速3D打印商Titomic與(yu) 國防製造商簽署價(jia) 值2550萬(wan) 澳元銷售協議

6. One Drop at a Time: Xerox 3D Prints with Liquid metal

7. SPEE3D Applications for the Army

8. 澳大利亞(ya) 陸軍(jun) 馱著SPEE3D金屬3D打印機上戰場，演習(xi) 現場製造零件

9. 澳大利亞(ya) 陸軍(jun) 對升級版SPEE3D金屬3D打印機進行第二輪實地測試

10. SPEE3D開發突破性金屬3D打印模擬器：SPEE3DCraft

11. 3D Printing: The Future Of Warfare? | Forces TV

12. 拆解黑鷹直升機：3D打印用於(yu) 軍(jun) 事武器的流程、要求、潛力

13. 美國政府資助3D打印技術在導彈製造等方麵的運用研究

14. 為(wei) 美空軍(jun) 和航空公司機翼展示連續纖維打印CF3D技術，Continuous Composites

15. 獲75萬(wan) 美元合同！ContinuousComposites為(wei) 美空軍(jun) 製造翼梁和翼肋

16. 視覺反饋控製環氧樹脂噴射（VCJ）3D打印機！Inkbit新技術

17. 美國空軍(jun) 攜手BotFactory開發下一代電子3D打印機

18. 3D打印彈藥和零件！克萊姆森大學研究人員與(yu) 美國陸軍(jun) 研究實驗室合作

19. 美國空軍(jun) 、海軍(jun) 資助Senvol開發3D打印機器學習(xi) 工具

20. 3Degrees獲美國空軍(jun) 50000美元資助，開發增材製造數據庫

21. 美軍(jun) 將啟用區塊鏈增材製造進入戰場

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