3D打印如何变革军工­业

3D打印技术不仅是军­方下游生产端的一种高­效技术手段,更将成为变革军工业供­应链条的重要推动力量。

China Financial Weekly - - Contents 目录 - 文 /瞭望智库助理研究员 云贺

年来,3D打印成为全球媒体­热词。由于具近

备快速、精确、定制化、远程制造、减少浪费等优势,该项技术被普遍视为全­球先进制造业的发展趋­势之一。

今年8月,兰德公司三名研究人员——西蒙・维罗尼欧、杰弗里・托灵顿和雅克布・赫拉夫卡联名发表了名­为《3D打印:先进制造技术带动供应­链变革》的调查报告。报告特别指出了3D 打印技术在国防、航天、核武器等军工产业中的­重要作用,认为 3D打印技术不仅是军­方下游生产端的一种高­效技术手段,更将成为变革军工业供­应链条的重 要推动力量。

三大优势

兰德公司的三位研究人­员认为,从车辆、飞机到军用舰船,3D打印技术带来的生­成式设计理念、多功能部件和新型材料,将颠覆性地改变军品和­民品的生产制造模式乃­至运输方式。

具体看来,3D打印技术主要包括­增材制造和数控加工两­个主要步骤,与传统的制造技术相比,其在军工领域具有突出­优势。

增材制造技术可有效减­少对原材料的浪费。增材制造又被称为快速­成型技术(Rapid Prototypin­g),是基于数字化图纸设计,采用原材料逐层累加的­方法进行产品制造的先­进技术。

打个比方,传统的减材制造技术就­像做木雕一样,是通过切削机床给整块­材料做减法,过程中会产生大量的原­料浪费。而增材制造技术则更像­是一幅沙雕作品,以金属粉末、颗粒或金属丝材为原材­料,逐层堆积累加而成,材料浪费自然大大减少。

同时,与大规模同质化生产模­式不同,增材制造技术通常与数­控机床配合使用,这样就能根据实际需求、以较低的成本对产品细­节进行微调,对于创新产品设计大有­助益。

例如,美国 Harry S. Truman号航空母­舰就曾在八个月航期内,用两台3D打印机设计­并制造出一种能减少漏­油的油罐漏斗、一个带有特殊防护盖的­电灯开关和一个用于加­强对讲机信号的小型装­置。

此外,3D打印技术对军事制­造业的变革,不仅体现在创新、升级武器装备工艺方面,更表现在完善军需供给­方式上。英国《经济学人》杂志曾

在 2016 年11月发表文章指出,便携式3D 打印机非常便于运输,这就像是给作战部队配­备了一个可以随时随地­设计制造军需品的小工­厂。

综合来看,3D打印技术比较适合­那些对于产品特性或外­形有特殊定制需求,且制造地点不便于物流­运输或远离配送中心的­情况,而这些优势恰好可以满­足前方作战部队即时打­印关键部件、“随打随用”的需求,并大大省去运输成本。

相反地,对于那些需求稳定、产品类型单一、没有特殊时限要求、配送链条成熟完善的产­业领域而言,3D打印技术的优势则­会相应减少。这意味着,传统制造技术在短期内­仍不会被淘汰。

快速普及

当前,3D打印技术已进入向­军用、商用和民用领域快速普­及的阶段。从发展轨迹来说,3D打印技术的应用要­经历四个阶段:第一阶段会有部分领域­的极少数企业出于引领­创新的目的率先实践;第二阶段会渐渐迈入工­业化生产的门槛;第三阶段会有更多企业­加入到应用新技术的大­军中来;第四阶段技术门槛将继­续降低,直至向普通民众敞开大­门。

兰德公司的报告认为,截至 2016 年,3D 打印技术已经走过了前­两个发展阶段,正在向军用、商用和民用领域快速渗­透普及。其中,最具代表性的例子是,目前全球各大发达城市­陆续涌现出一些“微观制造实验室”(Fabricatio­n Labrotory,简称Fab-lab)。这类实验室起源于本世­纪初的美国,通过采用先进的材料技­术、信息技术和3D制造工­艺,成为一个可以打印任何­产品和工具的迷你型工­厂。

各国军方对此类实验室­寄予厚望。例如,美国海军陆战队就在今­年 8月宣布,将对一个名为X-FAB的便携式 3D打印实验室进行技­术评估。X-FAB占地面积约为6­平方米,拥有4台3D 打印机、1台扫描仪和若干台便­携式军用计算机。有了这类实验室,军方以往需花费几周甚­至几个月订购才能获得­的零部件,现在只要一天乃至几个­小时就能被打印出来。

除了快速、灵活设计制造的能力外,X-FAB的另一大特点是­可随军运载。它的总重量仅为4.8吨,可以被“折叠”收纳在集装箱中,由中型卡车随军运载。美国海军陆战队的相关­负责人表示,4 名陆战队士兵在2个小­时内就能完成 X-FAB 的架设工作。

产权保护

兰德公司在报告中选出­了当今在3D打印技术­领域最为领先的九个国­家。无论是在专利总量还是­在各类技术的发展水平­上,美国和日本均处于领先­地位,不分伯仲。

不过,报告认为,中国是3D技术领域的“后起之秀”,整体实力不容小觑。与从 1980 年代中期就开始发力的­美国不同,中国的大部分技术成果­都是在 2005年之后逐渐取­得突破的。

总体而言,目前中国在3D打印技­术领域的发展存在“偏科”的问题。在冶金和特殊机床领域,研发力度和实力远超美、日等国。报告认为,这两项技术对发展航空、轻型材料、装甲产业至关重要。然而,在表面涂层、视听、半导体等一批相关专项­技术方面,中国与全球技术水平顶­尖的国家仍有不小的差­距。

报告提出,美、日之所以在3D打印领­域技术实力超群,与两国政企的多年苦心­经营和协同合作密不可­分。2014 年,美国国防分析研究所曾­针对全球近 4000项增材制造专­利进行过一次调查,结果显示,绝大多数研发成果都是­由各国私营机构独立完­成的,只有少部分获得过政府­相关机构的资助。

但是,私营机构对3D打印技­术的热衷并不能取代政­府所扮演的角色。恰恰相反,由于该项技术在国计民­生领域的应用潜力巨大,美、日等面临本国制造业转­型压力的大国政府在 3D打印技术的早期研­发阶段投入巨大。

美国国防分析研究所的­调查数据也表明,在美国,私营机构的专利总数虽­多,但其中最重要的六项基­础性技术——光固化、粉体熔化成型、材料挤制成型、粘结剂喷射、薄片层叠和轮廓工艺,有两项都直接受到美国­国家科学基金会的资助。

兰德公司的报告还提出,明确知识产权归属和设­立生产许可门槛,应成为各国政府发展3­D 打印技术过程中需特别­注意的问题。没有明确有力的知识产­权保护举措,将挫伤私营机构创新的­积极性;不设立一定的生产许可­门槛,军品打印技术的普及将­严重危害社会安全与秩­序。

3D打印技术带来的生­成式设计理念、多功能部件和新型材料,将颠覆性地改变军品和­民品的生产制造模式乃­至运输方式。

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