3D打印技术加速步入海军军事应用

近年来，3D打印技术取得了快速的发展，目前，已经广泛应用于零部的生产制造，尤其是具有复杂结构的零部件。在舰船领域，3D打印技术正逐渐应用在舰船设计阶段打印船体和船模、航行阶段制作小批量配套部件和备件，以及制造舰载无人机等，且在海军方面的应用潜力不断提升，已经成为国外海军的研究热点，正加速步入海军的军事应用。

一、制造船体船模
3D打印技术可以用作快速原型技术，快速制作模型进行测试，验证和改进设计参数，加快舰船领域新产品开发速度，缩短新型装备的研发周期。2017年7月，美国橡树岭国家实验室与海军颠覆性技术实验室合作开发出美军首个采用3D打印技术制造的潜艇艇体，也是美国海军最大的3D打印物体。该潜艇艇体结构由一种碳纤维复合材料制成，艇体长约9.14米，采用大面积3D打印技术制造而成。从概念到组装，整个过程耗时不到4周，这对于未来潜艇的制造具有重要意义，不但大幅缩短了制造时间，且能够艇体。美国海军计划2019年打造第二个3D打印船体，并将进行水下测试。

2017年9月，英国科学家向皇家海军提交了关于未来新概念潜艇“鹦鹉螺”100号的设计方案。该方案中，潜艇的表层材质为丙烯酸与合金混合的材料，采用3D打印技术制造出主船体，其表面可动态改变形状，最大潜深为1000米，艇内可容纳20人。

美国海军水面作战中心利用光固化3D打印技术制作USNS医院船（T-AH120）船体模型，通过对其进行闭环风洞测试，检测船体上层结构对气流场影响，以判定结构设计是否适合飞机起降。相比传统模型制造工艺，模型制造时间从50天缩短到25天，降低了成本，提高了尺寸精度。

二、制造零部件和工具
3D打印技术可以满足复杂零部件快速制造成形的需要。为降低“弗吉尼亚”级潜艇及“哥伦比亚”级潜艇建造成本，2015年10月，美国海军金属加工中心牵头研究用3D打印技术制造HY系列钢复杂零部件铸造所需的砂型及型芯，将现有复杂零部件的焊接组装工艺改为一体化铸造。初步预计，能为每艘“弗吉尼亚”级潜艇节省27.1万美元成本，为每艘“哥伦比亚”级潜艇节省110万美元成本，5年内，将为两个平台共节省410万美元成本。此外，该项技术还可用于其他武器系统。

2016年3月，洛克希德·马丁公司宣布，美国海军首个3D打印导弹零件（一个2.5厘米长的铝制连接器底壳），已经用于“三叉戟”ⅡD-5导弹，起保护线缆连接器的作用。相比传统加工方法，新型的铝合金连接器底壳零件设计及打印时间减半。

2016年8月，美国海军完成了对“鱼鹰”运输机关键部件进行测试。该钛合金部件为MV-22B “鱼鹰”倾转旋翼机的发动机连杆及接头组件，采用3D打印技术制造而成，未来美国海军计划利用3D打印技术更换任意一架MV-22的相关部件，这将对飞机维修以及作战部署产生重要影响。

2017年5月，美国诺福克海军造船厂设计出一种采用3D打印技术制造的、可用于各种舰艇部件的拉杆螺栓抗旋转工具。该拉杆螺栓抗旋转工具使用耐用的聚碳酸酯材料，打印成本约30美元，每次打印可以同时生成8个工具。舰船和潜艇上经常使用拉杆螺栓固定框架与结构部件，使用结果表明，该拉杆螺栓抗旋转工具非常有效，不仅节约成本，还提高了工作质量。

2017年8月，美国海军陆战队宣布，将使用名为X-FAB的可移动3D打印设备用于制造备件，并将其补充到海外部队的移动机械工厂，用于海外维护和修复军用零配件。3D打印机X-FAB是独立可运输的三维制造设备，装配完成后质量约为4763千克，可利用平板卡车进行运输。由于在复杂环境中，船只无法轻易靠岸，因此，该3D打印机制备的军用零部件可帮助海军陆战队减少部队的总负荷和物流环节，快速修复损坏的装备和设备，提供更优解决方案。

三、按需制造舰载无人机
由于舰载无人机具有高风险区域突防能力、通信导航支援和攻击等能力，可极大地提高海军舰队的情报监视侦察、扫描定位和打击能力，因此，舰载无人机的发展越来越受到各国海军的高度重视，并积极将3D打印技术应用于舰载无人机的制造。

微型3D打印无人机———SULSA。SULSA无人机能够向英国皇家海军“保护者”号上的工程师提供实时数据，为舰船导航，表明该无人机可以作为远程侦察工具，执行持久监视侦察目标的任务。2017年4月，美国海军研究实验室首次展示了近距离隐蔽自主一次性飞机（CICADA）。作为一种监视无人机，其由较大飞机携带，然后以类似昆虫群体的方式进行释放。每个监视无人机上都携带一个小的传感器有效载荷，并拥有定制的自动驾驶系统。该无人机机身采用３Ｄ打印制作，加快了生产时间，减少了所需的组装量。未来该无人机将完全由机器人完成制作和组装，以实现低成本和高效地部署。目前，每个CICADA成本约为250美元。

2017年9月，美国第七海军陆战队已部署首批25架3D打印的小型四旋翼无人机———Nibbler，且已有48名士兵接受了编程、3D打印机使用、无人机装配等技能培训。Nibbler是海军陆战队拥有自主知识产权的小型四旋翼无人机，续航时间20~25分钟，可携带摄像机等有效载荷，也可根据任务需求装备其他组件，单架成本约2000美元。在2016年版《海军陆战队作战概念》中，海军陆战队希望所有作战小组拥有一架可执行监视或其他任务的小型无人机，而将3D打印技术提高到战术应用水平是海军陆战队“推进作战力量建设”任务的一部分。

四、启示
（一）3D打印技术将成为海军装备维修保障的重要辅助手段
舰船在远洋航行期间，会由于备件配备不足等原因，导致受损零件难以在短期内获得快速便捷的更换维修，从而影响舰船安全航行和有效执行作战任务。由于3D打印设备的便捷性及材料的可携行性，运用3D打印技术可快速打印出的相应备件，一方面可以解决受损的舰船设备故障，另一方面3D打印技术在舰船上应用，也可以进一步减少舰船备件的种类和数量。未来的战争形势对装备维修保障能力提出了更高的要求，3D打印技术可大幅提升快速维修能力，将成为海军装备维修保障的重要辅助手段。

（二）3D打印无人机将大幅提升舰船作战能力
当前，多国海军将3D打印机部署在舰船上，并积极推进3D打印无人机技术发展。未来舰船只需携带少量无人机通用的电子元器件离开港口，无人机的主体可完全定制，可由舰上人员设计打印，也可由陆上的研究机构负责设计，传送到这些舰艇的3D打印机上进行快速制造。依托“设计即生产”的特性，3D打印摆脱了模具和工具的束缚，可快速批量生产无人机，而无人机可以根据执行任务的不同进行分别设计，以执行监视、侦察、攻击等任务，被摧毁后即可快速补充，未来对提升海军舰船的作战能力具有重大意义。

来源：《世界国防科技年度发展报告》