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      劉亞威:美空軍研究實驗室推動增材制造技術發展
      責任編輯:諾曼比爾 日期:2020-04-29 14:55:25

      來源: 空天防務觀察
      作者:劉亞威



      一、持續資助國家增材制造創新機構,全面支撐增材制造研發
      2012年8月,國家增材制造創新機構(又稱“美國造”)由美國防部牽頭建立。該機構由國防制造與加工中心領導,旨在集合全美的學術界、工業界、政府機構和非盈利組織的力量,建立區域創新生態系統,促進增材制造領域的技術創新和應用研究,夯實增材制造工業基礎,確保美國在該領域的全球領先地位?!懊绹臁睓C構由美空軍研究實驗室(AFRL)代表政府通過美國防部制造技術計劃提供聯邦資金并實施監管?!懊绹臁睓C構成立以來,美空軍研究實驗室已經與其簽訂了兩輪公私合作協議,總金額超過3億美元,有力支撐了這一美國國家制造創新網絡中首個公私合作制造創新機構的高效運轉。


      雙方合作緊密


      7年多來,“美國造”機構在面向增材制造的設計、增材制造工藝優化、增材制造材料性能、增材制造價值鏈推進、增材制造材料基因組這五個技術領域,面向國防安全和經濟發展需求設立了近百個項目,其中大量需求直接來自美空軍研究實驗室。波音、洛馬、諾格、雷神、通用電氣、聯合技術公司等國防制造商參與了大部分項目,同時還支持了眾多成果共享的開源項目,能夠直接將成果轉化到武器裝備研發和生產中。2016年,“美國造”機構幫助國防部制定了符合美國未來軍事需求的增材制造技術路線圖,面向維修與保障、部署與遠征、新部件/系統的采辦這三類應用范圍,識別了提升增材制造技術/制造成熟度的活動,為國防部實施合作與協調投資提供了基礎和框架。2019年雙方簽訂的第三輪政府撥款與成本分攤協議總金額高達3.22億美元,將繼續支持美國防部研究與工程署現代化優先領域中,高超聲速、網絡(賽博)和人工智能/機器學習等領域對增材制造相關技術的需求。


      美國防部增材制造路線圖封面(美國防部圖片)


      二、開展專項研究計劃和挑戰賽,提升增材制造軍事應用水平

      1. 長期支持金屬經濟可承受性計劃,聚焦領域轉向高超和發動機增材制造
      “金屬經濟可承受性”計劃是美空軍研究實驗室在1999年啟動的,成員包括波音、洛馬等7家國防制造商以及美國主要的軍用金屬材料和零部件生產商,主要目標是大幅降低高性能金屬材料的成本,顯著改善金屬零部件性能,其中金屬增材制造是其重要方向之一。該計劃設立20年來,累積獲得投資超過2.5億美元,有力推動了經濟可承受、革命性的金屬材料和工藝技術的發展,為軍用航空裝備的性能提升和維修保障成本降低做出了巨大貢獻。近年來,美空軍研究實驗室開始面向未來裝備的極端條件需求調整該計劃,比如高溫環境下運行的復雜外形結構方面,其中一個重點就是高超聲速飛行器和下一代航空發動機零部件的增材制造。通過對先進增材制造技術和最佳實踐的持續研究,該計劃將成員們的知識和經驗凝聚到一起,更好地應用到空軍當前和未來裝備,并且惠及美國金屬工業。


      金屬經濟可承受計劃成員


      2. 設立面向低成本持續保障的先進制造成熟計劃,提升空軍戰備完好性
      當前美空軍航空器的平均壽命超過28年,由于過時淘汰、制造成本高和數量要求低等原因,老舊飛行器的關鍵零件經常會停產,僅在2017年一季度,美空軍就有1萬份關鍵零件的生產招標因此而流標。2015年,美空軍研究實驗室與“美國造”機構聯合啟動了面向低成本持續保障的先進制造成熟度提升計劃,旨在通過增材制造技術,按需更換不經濟的損壞或過時零件,快速開發持續保障中心使用的輔助工具,實現老舊航空器的持續、低成本維護和保障。該計劃分為三階段開展,資金超過2700萬美元,支持了36個可快速應用的研究方向,開發了通過零件族完成快速鑒定的方法,并且將36個方向中接近成熟的快速轉化到實際應用中。



      面向低成本持續保障的先進制造成熟計劃LOGO


      該計劃近來取得了眾多成果。比如,2019年6月,代頓研究院大學通過該計劃與猶他州希爾空軍基地的奧格登航空后勤基地等合作,通過逆向工程、數字建模和增材制造等先進技術,將一副因射滿彈孔而被拆卸的F-16尾翼復原并重新安裝。該項目在缺乏所需工裝和技術數據的情況下,提供了一種新的維修解決方案,最大限度地減少了對復雜工裝的需求,使得這副至少價值60萬美元的機翼得以重新利用,實現了可觀的投資回報率和戰備完好性目標。另一個案例是在2019年11月,代頓研究院大學通過該計劃與通用電氣等合作,開發了一種增材制造的燃油冷卻器,并且啟用了這種新型熱交換器的測試設施,以便空軍評估其制造和性能特性,這不僅將有助于老舊航空器繼續翱翔,還展示了美空軍研究實驗室在實現經濟性的同時讓美空軍在全球競爭中保持領先的承諾。雖然該計劃仍在實施,但現有成果就已顯著提升了美空軍的戰備完好性,這為該計劃獲得2019年度國防制造技術成就獎提供了充分理由。 


      增材制造高溫樹脂基復合材料燃油冷卻器


      3. 啟動增材制造建模挑戰賽,利用數字工程大幅提高增材制造開發能力
      2019年11月,美空軍研究實驗室通過“美國造”機構啟動了增材制造建模挑戰賽,旨在以這種形式激勵工業界和學術界的頂尖人才參與創新,解決確認/提高金屬增材制造模型預測準確性的難題。挑戰賽分為四個方向,分別是宏觀尺度工藝-結構預測、微觀尺度工藝-結構預測、宏觀尺度結構-特性預測、微觀尺度結構-特性預測。通過挑戰賽,美空軍研究實驗室將創建高血緣關系的模型校準數據集,支撐對增材制造金屬零件微觀和宏觀結構層面特性的精確預測,從而能夠智能地解決INCONEL 625鎳鉻合金等材料的各向異性問題,促進增材制造材料和工藝的鑒定。挑戰賽還將促進“美國造”機構增材制造基因組方向的研究,從而加速改變增材制造材料開發的范式。 


      INCONEL 625合金材料微觀變形研究


      三、面向未來軍用航空裝備,大力促進復合材料增材制造創新
      除了出資和監管“美國造”,美空軍研究實驗室本身也一直站在增材制造技術研發的最前沿,研發對象從高溫陶瓷一直跨越到柔性電子器件。不過,面向未來高性能飛行器和低成本無人機等新需求,復合材料的增材制造成為了美空軍研究實驗室目前關注的焦點,包括連續纖維3D打印、三明治結構、高溫結構以及大尺寸工裝的增材制造、增材制造零件鑒定等,并且近兩年都取得了重要成果。

      比如,2019年3月,全球復合材料領域頂級展會JEC組委會將年度增材制造創新大獎授予美空軍研究實驗室、洛馬和連續復材公司團隊,以表彰其在連續纖維3D打印技術開發方面的創新成果。該技術可快速輸送、沉積連續纖維增強體以及基體樹脂并原位浸漬、固化,與傳統工藝相比生產速度可提高100倍,纖維體積含量可達到50%~60%。團隊利用該技術快速研制了一個由多種材料3D打印的無人機機翼剖面,一次就集成了由碳纖維、光纖、銅線和鎳鉻鐵線組成的整體結構。2019年6月,美空軍研究實驗室科研人員與布魯克海文國家實驗室合作,首次利用國家同步輻射光源的X光射線,以每秒高達9000張圖像的速度收集數據,分析打印樹脂液滴的結構和動力學,以深度優化連續纖維3D打印工藝。


      連續纖維3D打印的無人機機翼剖面


      此外,2019年3月美空軍研究實驗室與若干大學合作開發了輕量化的增材制造三明治結構,可以只在需要承受更大力的地方沉積更多材料,同時還可更容易地植入金屬配件和電氣組件,從而為下一代無人機提供具有嵌入式感知、致動、計算或電力的多功能結構并簡化裝配。同月美空軍研究實驗室還和美國航空航天局格倫研究中心等合作,通過激光增材制造開發了迄今能耐最高溫度的樹脂基復材零件,可以承受超過300攝氏度的溫度,有望用于發動機零件或尾噴口附近高溫區域。
      2019年9月,美空軍研究實驗室、波音公司和熱木公司團隊面向低成本可消耗飛行器技術計劃的需求,使用大尺寸增材制造工藝生產了一個XQ-58A無人機機身熱壓罐工裝驗證件,顯示了可以在數天而不是數月就開發出復雜工裝、大幅降低其采購周期和成本的潛力。2019年12月獲得國防制造技術成就獎的“高性能低波動增材制造零件的鑒定框架”項目由美空軍研究實驗室與威奇托州立大學國家航空研究所、聯邦航空局等合作,生成了首個聚合物增材制造數據庫和鑒定框架,并且通過“美國造”機構推廣到200多個組織,從而幫助他們設計和生產高質量的航空零件,比如C-17運輸機的航電設備冷卻管。


      XQ-58A無人機機身驗證工裝


      四、結束語
      我國從國家層面并沒有美空軍研究實驗室這種性質的軍方/政府科研機構,面向未來我國增材制造產業健康發展,從本文所論述內容的角度,提出幾點初步建議如下。一是由軍方和政府相關部門牽頭,在國家增材制造創新中心框架內,集合全國相關企業、大學和科研院所的力量,面向產業發展和國防應用,制定出臺增材制造技術路線圖并定期更新,引導業界不斷突破創新并夯實產業基礎。二是相關政府部門牽頭,按照技術/制造成熟度階段明確增材制造創新界面,強化不同階段創新實體間的知識產權管理,梳理并優化我國增材制造創新鏈結構,進一步鼓勵基礎研究和競爭前技術聯合研發。三是軍方用戶牽頭,面向未來作戰模式和武器裝備需求,設立有長期資金支持、可快速啟動項目的專項攻關計劃或創新挑戰賽,特別是針對航空裝備,加強復合材料增材制造領域的研究部署。


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