先进技术保护航空增材制造数字线索的安全

卢志军 刘亚威

当前业界对于增材制造技术的使用还属于初级阶段，关注较多的是材料、适用范围等，但由于增材制造技术十分依赖数字文件和通信网络，大量的产品设计和制造的数字线索会在网络上流通，因此保障产品数字线索信息的安全变得十分重要。除加强网络安全以外，在产品部件的设计和生产文件本身添加安全识别信息也是保护产品信息的重要手段。

2018年5月，波音宣布将部署云服务技术，在设计和制造阶段安全地管理和传输增材制造数据，保护知识产权，防止数据被拦截、损坏或解密。无独有偶，穆格在4月也推出了跟踪增材制造零件的区块链系统。GE则于6月获得了一项使用区块链技术跟踪和确认增材制造零件的专利。近年来，制造中的赛博安全越来越为美国国防部和航空制造商所关注，增材制造因其全数字化的设计制造流程和网络化、分布式生产的特性，安全隐患尤其突出。

目前，业界已经开发出多项先进技术，以保护航空零件增材制造数字线索的安全。

航空零件增材制造数字线索面临严重赛博安全隐患

2017年5月，美国参议院军事委员会发布报告称，在国防部供应链中发现超过100万个疑似假冒零件。这些假冒零件因为价格低并且与真品几乎无差别，绕过了严格的测试和认证，进入了供应链。增材制造的广泛应用将使航空零件假冒风险更为严峻，增材制造存在于数字与物理世界的交汇点，这就意味着：一方面，航空制造商在应用增材制造时要保护自己的数字资产;另一方面，在整个生产流程的数字和物理对象中，赛博安全隐患无处不在。

增材制造供应链重度依赖数字文件、网络连接和数字通信，增材制造过程中会产生大量与产品设计和制造流程有关的数据，继而在产品生命周期中产生一系列信息，其中有许多都是敏感信息。

航空零件增材制造的数字线索从设计阶段一直延伸到制造阶段和产品交付，甚至还会延续到产品使用和退役。在一个增材制造零件的整条数字线索中，存在多个（甚至可能有无限个）外部人员可以与零件及其数字文件交互的接触点。

因此，赛博安全隐患存在于增材制造数字线索的每个阶段，数据和信息可能被别有用心者拦截、损坏或解密，导致产品故障、侵犯知识产权、产生假冒零件等许多传统生产流程不曾遇到的威胁。而且，赛博安全隐患会影响供应链上各个环节的参与方，包括供应商、制造设备所有者、产品采购者、分销商以及用户，这就使得开发全面的赛博安全措施难上加难。

业界开发多项先进技术保护航空零件增材制造数字线索的安全

以往，保护增材制造知识产权的传统方式是加强网络安全防护，以及在三维CAD文件中加入授权请求，不过这往往不足以防止许多形式的窃取发生。近年来，业界开发并验证了一系列新技术，包括化学指纹技术、缺陷植入技术、云服务技术以及当下最热门的区块链技术等，与加强网络安全一起共同保卫数字信息的安全。

化学指纹技术

知识产权保护专业公司InfraTrac开发了一种化学指纹技术，在零件增材制造过程中，通过在金属或聚合物的打印材料表面下层植入一个化学标签，为增材制造零件增加相当于指纹的验证码。化学标签选择与零件材料相兼容的配方，由公司与用户共同测试以确保不会影响零件性能。化学标签的位置和配方对公司和用户之外保密，操作员可在任何时间通过手持的近红外光谱仪扫描标签，以鉴别组件在哪里和被谁制造。

2016年8月，InfraTrac公司与宾夕法尼亚州立大学的先进研究实验室和直接数字沉积材料创新加工中心完成了基于Ti6A14V钛合金的研究，团队利用Optomec公司3D打印机增材制造了若干钛合金零件，在钛合金粉末逐层沉积过程中，通过打印机特有的双粉末给料喷嘴，在每个零件的不同位置和不同沉积层植入一个化学标签。这些零件由马里兰大学先进生命周期工程中心使用X射线分光光度计进行了测试，在所有零件中都成功探测到了标签。为此，美国国防部牵头组建的国家增材制造创新中心为该公司颁发了“2016年度小企业增材制造挑战优胜奖”。

缺陷植入技术

纽约大学研究人员开发了一项缺陷植入技术，通过向CAD文件中植入基于条件的缺陷标签，以阻止制假者使用窃取的设计文件非法制造盗版零件。当把一个CAD文件转换为增材制造设备可识别的文件时，制造商需要定义一些参数，诸如沉积速度、三角形/多边形测量参数以及打印方向。制假者必须知道精准的零件参数，才能完全按照设计完成打印，否则会出现几乎无法被探测到的特定缺陷。2018年7月，研究人员又提出了一种由二维码扩展为三维像素云的缺陷标签，使增材制造出的零件带有按像素云排列的微细缺陷，只有从正确的方向扫描才能识别到唯一的源二维码以读取零件信息，从而防止制假者对其进行逆向工程扫描。通过对多种航空级材料、增材制造技术以及像素云分布构型进行力学试验，研究人员证实了这些缺陷几乎不会影响结构完整性和强度性能。

云服务技术

以色列Assembrix公司利用云服务技术开发的“虚拟制造空间”软件可实现增材制造的虚拟化，即根据特定的零件尺寸，实时地将可用的增材制造设备资源分配给众多客户以生产其产品。基于云的服务可在分配任务（发送设计文件等信息）和制造过程中，防止客户的数据被拦截、损坏或解密。2018年5月，波音宣布在其全球20家工厂的增材制造生产中部署该技术，监管从初始零件模型到已确认物理零件的整个增材制造数字线索，以面向内部用户或外部客户分配并监控增材制造设备，从而让整个设计和制造过程实现全面自动化与可控，提高设备利用率和波音的投资回报率。

区块链技术

区块链技术是保护增材制造供应链网络和知识产权的最新方法。全球信息技术公司Wipro认为该技术在航空增材制造领域潜力巨大，并且开发了4个基于区块链的解决方案用于反制假、适航取证跟踪、供应链可视化以及实物制造。增材制造的数字文件、产品、认证、包装和交付等都要在一个区块链注冊机上注册，并在供应链所有合作伙伴之间传递时更新状态信息，以简化业务流程、增加透明度并降低风险。Wipro公司表示，某航空制造商已经受益于其区块链系统统一解决方案，

2017年5月，美国海军测试了一个区块链系统以管理其增材制造设备并跟踪零件的数字线索，首个对象是F/A-18舰载机，当F/A-18的起落架零件在航母上发生损坏时，需要在保护波音知识产权的同时利用增材制造生产备件，区块链技术将提供解决方案。如果海军的零件管理系统能够采用区块链分类记账，航母上的增材制造设备就可以安全地记录每个生产的零件，并且向波音支付相应专利费。这样不仅可以保护波音公司的知识产权，而且还可以优化供应链，让海军在需要时直接生产所需零件而无需订购一个完整的起落架组件，从而减少空闲库存，提升前线作战能力。

2018年4月，穆格公司推出了采用区块链技术，以数字化手段管理供应链的VeriPart解决方案，并与新加坡科技宇航公司共同在增材制造上进行了验证。VeriPart可支撑建立一个安全且可跟踪的数字化供应链，在分布式网络上提供每个增材制造零件的来源，使零件的所有信息都能通过区块链技术同步到产品生命周期各个阶段，每笔交易都记录在共享的分布式账本中，支持授权交易查询和信息追溯。为保护制造阶段的数据交换安全，VeriPart通过区块链建立起信任机制，根据给定分布式制造网络中各成员间的信任级别，对每个交易环节可能遭到的安全威胁进行评估，并且在必要时采取防范措施。为进一步测试和提升VeriPart与美国国防部增材制造系统的集成，在一个安全的环境中评估区块链技术对老旧零件增材制造以及数字化供应链的适应性，穆格还与美国国家制造科学中心签订了为期18个月的项目，通过微软Azure平台对VeriPart进行验证。项目成果将用于国防后勤局、海军航空系统司令部、怀特帕特森空军基地等军方机构，有助于减少作战人员的后勤负担，提高战备完好性。

2018年6月，GE获得了一项名为“实施制造历史分布式分类记账的手段和系统”的专利。专利提出了一种增材制造系统控制装置，可以读取包含了制造设备控制指令的制造文件;可以接收指示特定批次制造媒介的材料标识符;可以通过一个分布式分类账本确认制造文件和材料标识符的正确性，以验证制造文件生成者或特定批次制造的媒介源头;可以利用制造文件控制制造设备以使用特定批次制造媒介生产零件;零件完成生产后，生成已制造零件的一个交易信息放入分布式分类账本，指示制造文件生成者或特定批次制造媒介源頭确认结果。GE航空近年来大举投资增材制造技术和设备，这项专利将使其增材制造过程和供应链更加安全可控。

结束语

近年来，航空业正越来越多地采用增材制造完成关键零部件生产，这一全数字化的设计和制造方法所存在的赛博安全风险也越来越为军方用户和航空制造商所重视。业界已经开发出了基于物理、化学和网络的诸多先进技术来保护航空增材制造数字线索的安全，这将进一步推进增材制造在航空领域的应用，加快未来航空研制生产模式的变革。