美F-22战机用上3D打印技术，能否补上后期维护“短板”？_风闻

科技日报记者  张强

近日，美空军称已为F-22隐身战斗机加装了3D打印的钛制部件。如果顺利接受测试，它将在维护期间安装到所有F-22上。目前，至少有5个3D打印的金属部件有待在F-22上进行检验。

美军2018年的一份报告指出，维护及数量少是导致F-22在全世界范围内可用率低的主要原因。如果能充分应用3D打印技术，带来的后勤保障的变化将使战力得到大幅提升。

国防科技大学国防科技战略研究智库王群教授对科技日报记者表示，“这几年，3D打印技术的军事应用日益广泛，美空军此次用其用为F-22打印钛制金属支架就是明证。实际上，之前美空军的另一款隐身战机F-35就已经使用了该技术，美国‘杜鲁门’号航母还首次安装了3D打印金属部件。然而，要使这种先进技术在军事上得到进一步的应用和普及，还必须大力研发打印材料，这是当下它面临的最大问题之一。材料发展相对滞后，使3D打印目前只能是传统制造技术的补充。”

3D打印大幅降低F-22维护成本

3D打印技术又称为“快速成型”或“增材制造”技术。一般来说，它与传统制造业的“减材制造”技术相比，具有制造周期短、效率高、材料省、成本低等明显优势。早在2012年，美国《外交政策》杂志网站的一篇文章，就将3D打印武器排在未来需要关注的军事技术榜首！

美国五代战机要大量用到钛合金，F-22上就有很多特制的钛合金部件。资料显示，在F-22上一些承力大型钛合金隔框都是用锻件制成的整体，其中最重的锻件近3000千克，尺寸3.81m×3.17m，但切削加工后的成品件不到150千克，利用率只有5%多一点。

“这导致钛合金的材料浪费严重。因为传统工艺属于减材制造，制作部件时经过制模、锻造、切割、打磨、抛光等一系列工序，很多材料都‘裁剪’掉了。而3D打印是增材制造，理论上‘一次成型’，无需制模和其他传统的复杂工序，材料基本可‘按需配给’，大大增加材料的利用率。”王群说。

比如要打印一个金属部件，先操作计算机读取打印文件中的切面信息，让打印喷头在文件指令的控制下，以切面形状喷出金属粉末，然后通过激光束加热，让其熔化和固化后形成与切面形状相同的平面薄层。接着再控制打印喷头，在已形成的平面薄层上按照相邻的下一个切面形状，喷出薄层并固化粘合。如此往复，最终就能把一个个与部件切面形状相同的平面薄层，逐层堆砌并粘结成所需要的3D实体部件。

“正是因为制造方式的不同，3D打印能大大降低原材料的消耗，同时也降低了成本。”他指出。

记者了解到，此前美海军陆战队的一个研究团队，利用3D打印为F-35起落架制造了一个部件，成本仅9美分，推广应用后可使每架F-35的维修费用降低7万美元。而早在2012年，美国新型电子束3D打印技术就已取得重要突破，具备大型金属部件加工能力。美国防部和洛马公司，准备将其用于生产F-35的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质部件。

弥补F-22因停产导致的部件供应问题

王群说：“以往，对特殊或定制部件，要先向厂家提出需求，厂家据此完成设计制造。这不但需要较长的生产周期，而且批量小的话，成本也不‘秀气’。美国F-22早在2009年就已停产，这意味着某些部件可能面临无备件的尴尬局面。再专门让厂家制造，生产周期和费用都是不得不考虑的问题。同时，产品最终送到用户手中，还要叠加不菲的运输和时间成本，这也不能忽视。而3D打印，只要构建出产品的3D打印模型并形成打印文件，就能方便、快捷地制作出产品即刻投入使用。”

在前述新闻中，美空军某维修中队的负责人罗伯特·卢因指出，F-22的数量有限，因此会出现一定的部件供应问题，此时则需要3D打印弥补这一缺陷，且可省去很多供应环节，让维修人员能以最快的速度得到所需部件，更可免除订单数量少无法供货的担忧。他表示，“如果我们能用3D打印制造出更为复杂的部件，那么战机的维修时间将大大缩短到60或70天。”

“此外，3D打印对打印操作人员的技术要求也不高。普通人，只要经过简单的培训基本就能胜任。同时，它对制造场地也无较多限制，还能实现远程制造。比如，舰船或其上的武器更换部件，传统上需要从后方通过空运或海运方式送到舰船上，但3D打印只要能用网络将‘图纸’传输过来，现场就能完成零部件的制造。”王群说。

此前，北约“三叉戟接点”军演，就传出了使用3D打印备件修好了因寒冷而引起故障的卡车、坦克的消息。北约秘书长斯托尔滕·贝格就此表示，3D打印制造备件可立即交付，无需等待从仓库运来。要知道，有时卡车上一个2.51美元的灭火帽从美国运输过来就需要126天。

大规模军事应用尚存在问题

总体来说，3D打印特别适合紧急情况下的部件置换，比如对战场上损伤武器装备的应急维护，现地就能为其快速、低成本地制作部件，不再需要以往那样由部队大量携带。

“正因为具有这样一些优势，3D打印在军事上的应用变得越来越广泛。”他表示，美军早在2012年和2013年，就在阿富汗战场部署了两个基于3D打印技术的移动远征实验室，并开展相应的装备维修保障研究。

记者了解到，近年来3D打印军事应用的案例有很多。

2013年，美国得州一家公司就宣布用金属粉末制造并测试了世界上第一支3D打印金属枪。如今，特朗普政府更是允许公众从网络上下载3D打印枪械蓝图。

2015年7月，英皇家海军舰艇在海上试飞了一架3D打印的无人机。它重约3千克，翼幅1.5米长。

2017年，美军制作的RAMBO M203A1榴弹发射器，除了弹簧和少量固定零件外，整体都利用3D打印制作，并通过了美陆军的测试。

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“除了制造武器装备及部件，3D打印还能改变战场保障方式，比如在战场应急救护中，为伤员打印夹板和固定物，甚至打印受损的关节、头骨和某些器官。再比如，现地为部队打印营房和障碍物、伪装物等。”王群介绍。

“当然，3D打印目前尚难实现‘制造万物’。正确地说，它仍处于发展阶段，暂时只能是传统制造的补充。如果想在军事上大规模应用，还有一些问题亟待解决。首先是可用材料有限，经常是‘有锅无米’，尤其是工业级的，导致目前有些产品的强度和质感等多有欠缺，可靠性不高、稳定性不好，特别是承重和耐用部件，而这些对军事装备又恰恰非常重要。比如，之前报道的3D打印手枪，发射几发子弹就会解体。F-22使用的有些3D打印部件刚性、韧度和硬度不达标，实际只能临时替代用，日后还需换上传统制造的部件。”王群说，“其次是打印精度不够，这也是军事装备的另一根本要求。当下3D打印机的送丝或喷挤速度都不很高，产品的分层切片厚度不可能很薄，造成产品表面较粗糙、精度不够、品质不稳定。最后是前期准备要求高，3D打印建模软件还不多，产品建模并不简单，技术要求高，时间精力投入多，尤其是对大型或复杂、特殊的产品。”