外军武器装备增材制造未来应用方向分析

装备发展部某中心 党晓玲 王婧

近年来，增材制造技术呈现出持续快速发展态势，军事强国围绕增材制造技术进行研究攻关，加速推进其在各类武器装备研制与维修保障中的应用。随着制造工艺、适用材料、设备加工能力、技术标准等不断优化和完善，增材制造工艺将获得更加广泛的应用，并扩展到更多的武器装备及其关键零部件设计及研制生产中。综合分析近年来增材制造技术的研究进展，以及外军增材制造应用的典型事例，可以预见，未来以下八个方面将取得显著突破，成为武器装备增材制造技术应用的主要方向。

1 突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能

随着航空航天领域的发展，发动机等复杂系统的性能要求越来越高，产品研发难度也将显著增大，采用传统设计制造模式难以满足需求。增材制造技术在复杂系统设计及制造方面的优势将使其在发动机等装备研发生产中获得广泛的应用。近年来，外军已将增材制造技术用于火箭发动机、航空喷气发动机等复杂系统的制造，不仅简化了设计流程，并且实现了传统制造手段无法满足的设计要求，大幅缩短了生产周期，降低了生产成本，同时提升了武器装备性能。

典型进展包括：（1）实现世界首台电动泵液体火箭发动机快速低成本研制。2016年，美国火箭实验室公司开发出世界首台采用电动泵输送推进剂的液体发动机——“卢瑟福”，其75%以上的部件采用增材制造，可3天完成生产。由于减少了燃气涡轮泵系统中大量复杂的管路、阀门，及燃气发生器等装置，可大幅降低复杂度和制造成本，提高可靠性，便于快速批量生产；（2）实现火箭发动机喷嘴创新设计。火箭发动机喷嘴的外部结构看起来简单，但其内部结构非常复杂。2018年，NASA马歇尔太空飞行中心采用激光直接沉积金属丝材的方法，实现喷嘴冷却液通道的精确封闭，同时在适当的位置形成支撑结构，实现了火箭发动机喷嘴的创新设计，将喷嘴的制造周期从几个月缩短至几个星期；（3）GE公司将增材制造技术作为发动机设计制造的重要手段。2017年，GE公司采用面向增材制造的设计和制造方式完成了T901-GE-900涡轮轴发动机样件的生产，该发动机中使用了大量的增材制造零部件，其中一个零部件是由原来需要50多个子部件组装而成的，因此大幅降低了T901发动机的重量，经过测试，其性能也获得了提升。

目前，该应用方向主要开展了复杂结构件设计、面向增材制造的设计、蜂窝结构设计优化、增材制造可靠性提升等关键技术研究。未来，火箭发动机、航空发动机等复杂系统将大量采用增材制造设计和生产，并且更多的复杂系统将逐渐采用面向增材制造的设计，突破传统设计局限，实现性能提升和创新式发展。

2 实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备

仿生设计往往具有复杂的几何结构，例如说蜂窝结构、复杂点阵结构、纤维角度和方向多变结构、弧面（波浪）型结构、混合材料及梯度结构等，通过传统制造方法难以实现。增材制造技术能够实现设计中的各种“微结构”，在实现仿生设计、梯度设计等方面具有独特的优势。近年来，美欧利用增材制造技术实现仿生结构设计、梯度结构制造等方面取得了多项成果。

典型进展包括：（1）开发仿生“传感羽毛”改善飞机性能。英国BAE系统公司于2017年利用增材制造技术开发出“传感羽毛”，能够在飞机出现失速危险时提前预警，还可改变靠近飞机表面的气流，有效减少机翼遇到的阻力，提升飞机速度，未来有望用于战斗机等武器装备中；（2）开发用于人体防护的仿海螺壳材料。2017年，麻省理工学院采用增材制造技术制造出仿海螺壳的工程材料，该材料的防裂纹扩展性能是最强基材的1.85倍，是传统纤维复合材料的1.7倍，非常适合用于制备抗冲击防护头盔或人体装甲；（3）利用增材制造实现可变形软体机器人。美国陆军基于含有铁磁微粒的弹性体复合材料，并对结构、磁畴和磁场的信息进行编程，实现机器人的复杂形状变化，从而完成爬行、翻滚、跳跃或抓取等“动作”，满足美陆军在机器人与自治系统研究需求；（4）实现多金属混合火箭发动机点火装置。NASA一直在制造和评估由多种金属制成的增材制造火箭部件，并于2017年9月成功测试了首台由铬镍铁合金和铜合金3D打印制成的火箭发动机点火器，突破了多金属增材制造部件的技术瓶颈。

目前，该应用方向主要开展了智能仿生结构设计、3D功能梯度材料开发、梯度结构增材制造、多种材料集成等关键技术研究。未来，将有大量采用仿生结构、梯度结构设计的新型武器装备问世，例如仿生飞行器、仿生潜艇、仿生软体机器人等。随着新材料开发以及多材料集成技术的发展，增材制造技术将在催生新概念武器装备中发挥越来越重要的作用。

3 将电子器件打印至武器装备中，实现结构功能一体化

传统的电子元器件通常是坚硬的，而柔性电子器件以其独特的柔性和延展性，在武器装备中具有广泛的应用前景。采用增材制造技术，将超薄的导电油墨等材料直接打印到柔性基底材料上，可实现武器装备的结构功能一体化。近年来，外军积极利用增材制造技术改进装备设计，实现结构功能一体化。

典型进展包括：（1）将电子器件直接打印到武器装备上，提高装备性能。美国陆军尝试采用增材制造技术将电子器件打印至头盔、战服、无人机和火炮等装备上。研究人员使用喷墨打印机和电流传导油墨（如银纳米粒子）来打印电子器件，从而直接将传感器打印至武器装备或衣服中；（2）开发新型3D打印可穿戴天线，可用于战场通信和监控等。印度军方开发出一种轻量、灵活和防水的3D打印天线，可以植入士兵们的军服中，该设计（由环氧树脂基板和薄铜膜组成）比传统的天线模型要灵活得多；（3）利用3D打印实现发动机叶片的监测功能。英国利用气溶胶喷射技术将应变及光学蠕变传感器直接打印到喷气发动机压气机叶片表面上，可用于监测叶片情况，提高燃油效率，降低航空航天器维护成本。

目前，该应用方向主要开展了结构功能一体化设计、增材制造新材料开发、多材料3D打印等关键技术研究。未来，雷达、天线、探测器等电子器件将更多采用增材制造技术生产，而柔性电子器件的增材制造是未来发展的热点。此外，还将实现可穿戴式传感器、嵌入式电子器件的高效、低成本制造，大幅提升装备性能。

4 增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度

金属增材制造技术在加工精度上与传统加工相比较低，因而受到极大限制。将增材制造与传统加工工艺有机地集成起来，成形件加工完成后无需后处理即可直接投入使用，大幅缩短了制造时间和生产成本，还可拓宽原材料范围，减少生产过程中切削液的使用，实现绿色加工。近年来，增减材混合加工工艺与装备不断涌现，在提高制造精度，增大制造尺寸、提高生产效率等方面取得多项进展。

典型进展包括：（1）洛马公司建造世界首台多机器人增减材混合制造系统。该系统由两个机器人串行工作，适用于多种材料，可实现包括增材制造、减材加工、工艺过程监测、可视化检测、热测量等多种功能，能够显著提升大型复杂结构的制造效率，降低制造成本；（2）美国Fabrisonic公司开发出能在现有超声波增材制造设备中协同定位增减材单元的专利技术。该技术将超声波增材制造焊接头转变为一台标准数控铣床刀库中的一个工具，通过协同定位数控铣床中的焊接和铣削功能进行零件加工制造，成形速度可达245.8cm3/h，同时可提高加工精度，增大零件制造尺寸；（3）GE公司大力推动增减材混合制造工艺发展。GE公司基于增减材混合制造工艺，对航空发动机燃料喷嘴等航空部件进行再设计，使其重量下降、零件数量减少、耐用度和功能性有所提高。

目前，该应用方向开展的关键技术研究主要包括：零部件再设计、增减材混合制造系统开发等。随着航空航天等领域对高性能复杂零件需求日益突出，如何兼顾零件复杂成形和高精度加工将受到广泛关注。未来，增减材混合制造系统将不断涌现，极大提高了成形效率和质量，将有力推动增材制造技术在批量化生产中的应用，将武器装备研制生产的周期缩短一半以上。

5 高温合金增材制造成熟用于武器装备核心部件高质量制造

高温合金通常的工作温度超过600℃，在高温下的强度、延性、抗蠕变性能以及抗腐蚀能力能强。对于高温合金零部件，增材制造技术不仅能够缩短生产时间、降低生产成本，还能优先考虑功能设计，非常适用于制备航空发动机及燃气轮机喷嘴、叶片、燃烧室等热端部件，以及航天飞行器、火箭发动机等复杂零部件。近年来，高温合金增材制造技术发展迅速，已航空航天领域实现了多项应用。

典型进展包括：（1）航空发动机采用镍基合金增材制造零部件。赛峰集团eAPU60微型涡轮发动机采用了增材制造的镍基合金喷嘴，并作为AW189型直升机的辅助动力装置的核心部件之一；罗·罗公司在XWB-97发动机中采用了增材制造的镍基合金前轴承座结构件，有助于提升发动机性能；（2）增材制造镍基合金用于火箭发动机部件。2017年，美国洛克达因公司与美国空军合作开发了价值约1.15亿美元的AR1火箭发动机，旨在取代俄制RD-180发动机。AR1火箭发动机采用增材制造一种高强度、耐烧蚀性好的镍基超金属合金材料，无需表面涂层；（3）空客部署高温合金的大型工业级金属增材制造系统。西亚基公司向空客交付的电子束增材制造（EBAM）110系统，能够在打印过程中实时监测和控制，可用于许多金属和难熔合金，如钛、钽、铌、钨、镍和不锈钢等。

目前，高温合金增材制造作为目前的研究热点与前沿方向，目前主要围绕钛合金、镍基高温合金、钴铬高温合金等材料开展了大量的技术与应用研究。该应用方向主要开展的关键技术研究主要包括：开发模型、性能预测、高温合金增材制造标准化等。未来，高温合金增材制造将成熟用于航空发动机、军用发动机、燃气轮机等装备，主要在燃气式、涡轮叶片、涡轮盘等核心部件的制造中使用，有望大幅降低武器装备的生产成本，缩短生产周期。

6 实现枪械等轻型武器装备的直接制造

直接零部件制造是近年来增材制造技术应用发展最快的领域，尤其是金属增材制造技术的发展，与传统制造方法相比在提高生产效率，降低成本等方面有显著优势，有助于实现武器装备的快速制造及部署。近年来，美军在采用增材制造技术进行枪械、轻型无人机等武器装备的直接制造方面取得了多项突破。

典型进展包括：（1）快速制造出榴弹发射器。美国陆军于2017年成功打印出榴弹发射器，其中榴弹发射管和受弹器采用直接金属激光烧结铝粉制造，触发器、撞针等其它零部件采用增材制造4340合金钢粉末，制造周期大幅缩短，未来有望在短短几个小时或几天内实现对战士武器的改进和修理；（2）直接制造用于侦查的蜂群微型无人机。这种微型无人机的机翼宽度仅约2.54厘米，可由F-16和F A/18战机发射，也可由地面投掷或像弹弓一样发射升空，它们能够根据实际战场情况发现队友并组成“蜂群”队形，可用于侦查等任务；（3）开发新型耐腐蚀两栖无人系统。美国约翰·霍普金斯大学为海军开发出一种名为“耐腐蚀空中隐蔽无人航海系统”的两栖无人机，机身采用增材制造技术制造，具有构件数量少、机身重量小、接缝数量少和耐腐蚀性强等优点，可防止发动机进水，并可长时间浸没水中，具有良好的隐蔽性。

目前，该应用方向主要开展了建立材料、工艺和性能数据库，提升设备传感能力，制定相关规范和标准，提高增材制造产品质量等关键技术研究。未来，随着增材制造技术的不断进步，有望实现各种复杂结构、复合材料的快速按需制造，并将成为武器装备制造的一个重要手段，例如枪械、微小型无人机、卫星、头盔、战斗部以及一些小型海上装备将采用增材制造进行直接制造。

7 实现高价值关键件的修复，大幅节约维修成本

武器装备关键件在工作中出现损伤，传统修复手段和修复效果往往不能满足作战需求。增材制造为零部件维修提供了个性化、高效率的实现手段，能够大幅降低成本，适用于战场装备的应急维修保障。近年来，利用增材制造技术进行涡轮叶片等航空发动机核心部件的修复和再制造是军事强国的发展重点。

典型进展包括：（1）采用增材制造进行飞机零部件修复。以色列空军采用增材制造技术为服役30年的飞机生产替换零件，并已经取得显著成功，飞机性能比开始服役时更好，而且还会在进一步修复或召回之前延长使用约十年左右的时间；（2）在美国海军不同类型、不同型号的海军装备上得以广泛应用。如舰艇主船体（如洛杉矶级核潜艇垂直发射筒壁（VLS tube）、航空母舰弹射器导轨盖板等）、舰艇动力装置（如弗吉尼亚级核潜艇推进器主轴、洛杉矶级核潜艇（SSN-688）推进轴密封面等）及水中兵器（鱼雷汽缸缸体、连杆等），应用成效显著；（3）将增材制造技术用于坦克悬臂的修复。美国安妮斯顿陆军基地采用激光净成形（LENS）技术，对M1艾布拉姆斯坦克的补偿悬臂的受损表面进行了修复。悬臂的替换成本是2000美元，而修理成本是750美元，成本节省超过60%。

目前，该应用方向主要开展了快速检测方法、增材制造修复技术、建立无损检测和工艺控制方法等关键技术研究。未来，增材制造技术用于武器装备及关键零部件修复方面将更加成熟，并成为武器装备修复和维修的首选方法，能够大幅降低后勤维护成本，同时节省人力和时间成本。

8 实现远征战地、海上作战平台、太空等现场按需制造

使用作战基地的原生材料实现远征战地制造，可减少在远征战场所需的庞大物流链、节省宝贵资源，提升备战水平和自给自足的能力，同时保护作战人员的安全。近年来，现场按需制造受到军事强国的高度重视，尤其是美军正在开展多项研究，希望能够直接在远征战地、海上以及太空等环境下进行增材制造，提升应急响应能力。

典型进展包括：（1）在远征战地现场按需制造方面。早在2003年伊拉克战争期间美国陆军就将一个含有金属增材制造模块的“移动零件医院”（MPH）部署在科威特，该设备累计加工制造了大约100000件战损零部件的替换件以及特殊工具，节约成本39万美元；2012-2013年，美国陆军在阿富汗部署了两个类似的现场制造维修设备“远征移动实验室”（ELM），其增材制造模块可现场生产武器装备塑料零部件； （2）在海上平台现场按需制造方面。美国海军近两年积极发展舰船海上按需生产备件的能力，2014年美国海军已成功将3D 打印机安装在埃塞克斯号两栖攻击舰上，用于舰上现场制造油箱盖、飞行甲板模型等小型零部件。美国海军陆战队正在开发移动式增材制造实验室（X-FAB），通过部署到舰船等不同环境中，为其提供远征增材制造能力；（3）在太空现场按需制造方面。美国在2014年就提出了太空增材制造的想法，通过开发太空现场制造系统，可在轨生产全功能作战空军卫星；同年， NASA在国际空间站成功安装世界首台零重力3D打印机，并打印了21个热塑性树脂零件用于设备性能验证。欧洲也已将其首台太空3D 打印机POP3D送至国际空间站。2018年，德国联邦材料测试研究院成功实现零重力条件下金属件的制造，取得重大突破。

目前，该应用方向主要开展的关键技术主要包括：战场材料回收再利用、移动式增材制造系统开发、开发反求工程设计工具等。未来，增材制造技术将在海、陆、空战场中获得真正部署应用，通过开发创新的敏捷制造车间，在现场按需打印替换件或实现对零部件的修复来减少零件的采购和库存，为作战部队提供更快且更加安全的后勤支援。