美国防部推动增材制造在零部件维修保障中的应用

李良琦

（中国兵器工业集团第二一○研究所，北京，100089）

0 引言

信息化战争条件下，武器装备结构日益复杂、对作战的快速响应能力需求更加迫切，传统的维修保障方式难以适应战争新要求。近年来，增材制造技术发展迅猛，对武器装备设计、制造、维修模式产生重要影响，受到美国的高度重视，并将其列为未来武器装备发展的关键技术，而维修保障是其重要应用方向之一。2016年，美国国防部发布了《增材制造路线图》，面向维修与保障、部署与远征、新部件/系统3大领域进行应用部署。美国参议院发布的《2017财年国防授权法案》中提出，美国防部应大力推进增材制造能力发展，以提高作战维护保障的效率及可持续性。该报告也将国防部对增材制造的关注重点从研发转移到维护保障。

2019年10月，美国防部对利用增材制造技术进行零部件维修保障情况开展了全面审查，通过对国防各部门利用增材制造技术开展武器装备维修保障 工作的执行情况、应用成效进行了评审，并对后续发展提出建议。

1 国防多部门协作推进增材制造部署工作

近年来，美国逐步形成从国家、国防部和各军种层面的增材制造研发应用工作体系。在国家层面，美国设有国家科学制造中心（NCMS），负责增材制造技术的开发和技术规划，自2015年起开始研究增材制造在装备维护保障方面的应用。在国防部层面，设有国防部增材制造维护运营工作组（AMMO），它与工业部门合作，制定国防部综合战略愿景，推动增材制造技术的实施，为国防部装备维修企业提供支持。在军兵种层面，陆海空军也都制定了各自的增材制造技术发展路线图和研发及部署应用计划。

1.1 国防部长办公室负责国防部增材制造战略部署

2018年，负责采办、技术和后勤的国防部副部长办公室重组，分为负责研究与工程的国防部副部长（USD（R&E））和负责采办与保障的国防部副部长（USD（A&S））。目前，负责研究与工程的国防部副部长（USD（R&E））和负责采办与保障的国防部副部长（USD（A&S））共同主管国防部增材制造的部署实施。其中，USD（R&E）负责确保国防部增材制造投资与国防部优先事项保持一致，并领导增材制造联合指导小组（JAMSG）和增材制造联合工作组（JAMWG），在整个国防部各部门中发布关于国防部增材制造工作的信息，为增材制造联合投资战略提供建议。USD（A&S）负责审查和制定与采办相关的增材制造政策，以及监督审查增材制造维护保障政策的实施情况，领导美国国防部增材制造维护运营工作小组。

图1 R-FAB移动式设施

图2 AH-64D主旋翼固定支架

1.2 各军种积极制定各自的增材制造战略计划

陆军装备司令部是陆军实施增材制造的主管部门。2018年11月，美国陆军装备司令部司令，陆军负责采办、后勤和技术的助理部长签署了陆军增材制造行动计划，目的是制定总体战略和框架，以集成陆军增材制造能力，实现陆军增材制造能力同步，确保和增强作战部队的能力。

负责舰队战备和后勤的海军作战部副部长主管增材制造在海军维护保障中的部署实施。2017年5月，美国海军研究、发展、试验与评估助理部长办公室，负责舰队战备与后勤的海军作战部长办公室，以及海军陆战队装备与后勤司令部等多个部门发布了《海军增材制造实施计划（2.0版）》，明确将提高战备和作战能力作为实施增材制造的目标。

空军生命周期管理中心产品支持工程部是空军实施增材制造的主管部门。该部门在2016年10月制定了战略计划，提出将采用标准流程和设备部署增材制造。空军对未来的愿景是能够随时随地、利用各种设备按需生产零部件。

美国海军陆战队负责设施与后勤事务的副司令办公室主管海军陆战队增材制造的部署实施。该办公室发布了实施增材制造的指南和政策，并于2018年1月提出将增材制造部署到整个海军陆战队中。海军陆战队系统司令部负责跟踪和记录使用增材制造生产的设备和物品，并建立数字资源库，使海军陆战队可以共享他们的增材制造信息。

1.3 国防后勤局为美军各部门提供支持

国防后勤局计划使用增材制造来解决与老旧部件维修相关的采办问题，并致力于增材制造数据的存储，及其在军方各单位间的共享。国防后勤局后勤作战部门制定了相关的政策和规程，定义了供应链的运行，并对国防后勤局为军队采购的物品进行了描述。国防后勤局还负责开发相应的工艺和规程，旨在将增材制造集成到供应链中，向国防部各部门提供增材制造技术数据以供其安全访问、获取及共享。

2 美军利用增材制造技术进行维修保障取得多项成果

图3 传统工艺与增材制造的MH-60R直升机声呐外壳对比

近年来，国防部长办公室制定了相关政策，成立了多个工作组来协调各军种和国防后勤局之间的工作，至少有81个军工厂、维修基地和野外驻地采用了增材制造技术，生产了数千个零部件和工具（如冷却管道、夹子、扳手等），缩短了维修时间，减轻了缺乏传统制造资源对武器装备受损部件的影响，此外还对现有部件进行了改进。

2.1 国防部长办公室制定增材制造战略规划，协调各部门开展工作

自2017年以来，国防部长办公室通过领导多个工作组，与军方和国防后勤局就增材制造的价值和使用加强了沟通。例如，增材制造联合工作组确定了2019财年和2020财年8个增材制造发展的优先事项，包括数据共享、最佳实践、解决网络安全问题，以及对增材制造部件和工艺进行资格鉴定和认证等。2019年3月，负责采办与保障的国防部副部长办公室发布了临时指南，明确了国防部长办公室、军队和国防后勤局在国防部采用增材制造进行部件维修方面的责任。此外，负责研究与工程的国防部副部长办公室通过与美国国家增材制造创新机构（America Makes）合作，开展增材制造项目资助。

2.2 陆军利用增材制造技术实现远征战地按需制造

截至2019年2月，至少有19个陆军基地正使用增材制造补充现有的供应链，提高士兵的战备能力，包括维修库、工程指挥部和部队。美国陆军开发了一种名为“利用增材制造实现战场快速制造（R-FAB）”的移动式设施（如图1所示），通过在远征战地使用增材制造来提高士兵的战备能力，快速修复受损零部件。例如，陆军利用R-FAB设计并生产了AH-64D阿帕奇直升机主旋翼固定支架（如图2所示），仅仅花费9个小时，成本为3.21美元。如不及时更换支架，AH-64D的其他部件可能会因此发生损坏，据此估算，利用增材制造技术能够为陆军节省大约2万美元的成本。

图4 增材制造生产的C-17飞机冷却风道

2.3 海军利用增材制造技术实现舰船上零部件生产

截至2019年1月，美国23个海军基地正在使用增材制造技术提升武器装备维护能力，这些基地包括维修库和作战中心。海军将增材制造技术用于舰船上零部件生产。例如，西南舰队战备中心利用增材制造技术生产经常需要更换或易损坏的昂贵零件、维修工具，以及一些难以购买或不再生产零件。例如，美海军利用增材制造技术生产MH-60R直升机的声呐外壳（如图3所示），将生产周期由2年缩短至1周。

2.4 空军将增材制造用于低风险零件生产

截 至2019年2月，至少有35个空军基地正在使用增材制造技术，大幅度降低老旧零件的生产成本。这些基地包括维护库、工程指挥部和实验室。目前，空军致力于将增材制造用于低风险零件（例如辅助设备、工具和武器系统非关键组件）的生产，希望以此为基础，将增材制造应用到关键部件的生产。例如，美国空军采用增材制造技术为C-17“环球霸王”（Globemaster）III型飞机生产了3个冷却风道（如图4所示），将交货周期缩短9个月，并有望在20年的服役周期内节省1200万美元。

2.5 海军陆战队部署增材制造远征实验室

美国海军陆战队正在维修站和远征部队使用增材制造技术，以缩短零件维修的时间，满足战场需求。2019年2月，海军陆战队远征部队宣布，到2024年将部署21个增材制造远征实验室（如图5所示），用于作战受损装备的修复。通过采用增材制造技术，海军陆战队提高了战备能力，大幅降低了生产成本。例如，海军陆战队采用增材制造技术生产H-1直升机头盔面罩支架（如图6所示），将生产周期从270天缩短至10天，每个支架的成本从300美元降至0.75美元。

2.6 国防后勤局为各军事部门部署增材制造提供支持

国防后勤局为各军事部门部署增材制造提供支持。一是开发可判断增材制造零件适用性的软件，该软件包含材料类型、尺寸、生产准备时间和历史成本等数据元素，可针对每个军事部门的需求进行查询，并识别满足特定条件的候选部件；二是与America Makes合作开发了“联合增材制造模型转换（JAMMEX）”平台，可实现各军事部门和国防后勤局之间的增材制造零件数据共享；三是国防后勤局部队支援中心为25个军事地点采购了增材制造设备和材料。

3 美国防部对未来发展的建议

目前，美军各军种和国防后勤局均采用各自的规划和系统来部署增材制造，因此存在着跟踪数据不统一、各部门数据不共享，以及人员和资金不明确等问题，难以全面发挥国防部增材制造能力。通过全面审查，国防部提出了目前存在的问题及未来对策建议。

图5 增材制造远征实验室

图6 H-1直升机头盔面罩支架

3.1 实现技术数据、投资情况以及零部件编目的标准化

目前，国防部没有对增材制造产品、增材制造设备，以及增材制造投资等方面的跟踪数据提出标准化要求。例如，各军种在跟踪使用增材制造生产的零件时，所包含的数据元素不一致，对于各部门应该在增材制造技术数据包中识别的数据元素也缺乏相应的指南。在跟踪增材制造设备方面，美国海军和海军陆战队对所有购买的所有增材制造设备进行跟踪，而空军则要求各单位只跟踪价格超过10万美元的增材制造设备。在跟踪增材制造投资情况方面，增材制造联合指导小组要求军事部门和国防后勤局报告每年在增材制造上的花费，但没有指出哪些信息（比如研发、培训、人员、设备或材料）应包括在支出中。在进行增材制造零部件编目时，海军航空系统司令部（NAVAIR）在传统制造的零部件编目基础上补充增材制造信息，而空军生命周期管理中心正在为使用增材制造生产的部件创建新的编号。

3.2 实现增材制造数据的共享

实现增材制造数据的共享能够消除设计和生产增材制造零部件时的重复工作。目前，各军事部门采用多种方式存储数据，如：海军使用JTDI平台等跟踪生产增材制造零件，而空军则采用Excel电子表格和Access数据库进行跟踪。此外，由于相关信息在军事部门之间及其内部不共享，可能导致在设计生产增材制造零件时重复工作，因此浪费了时间和金钱。例如，空军和海军都在利用增材制造技术生产C-130大力神飞机（C130）的零件和工具。由于设计、材料类型，以及其他技术数据不共享，两军都在从事同一零件的设计和开发工作。

3.3 提升各环节人员对增材制造的认识

国防部还需要通过培训或指导的方式，提高采办、合同签订、后勤等各环节人员对增材制造的理解认识。国防部临时增材制造政策要求将增材制造纳入采办与维护保障人员的劳动力培训中，该政策还要求各军为参与制造的人员进行相应的增材制造培训。海军正在起草一份增材制造合同和采办指南，如果获得国防部采用，将对合同签订和采办人员有所帮助。同时，国防部长办公室应将有关增材制造的最新资讯通知各军事部门和国防后勤局项目官员、后勤人员、承包商和国防部高级管理人员，并要求各军种和国防后勤局不断更新其增材制造指南。

3.4 明确所需的人员和资金支持。

目前，每个军事部门分别实施了增材制造计划，但各部门尚未明确所需的资金和人员。例如，陆军正在实施5项增材制造发展计划，要求11个陆军部门的13个工作组参与，但陆军作战能力发展司令部并不清楚陆军对这些工作的成本预算。海军海上系统司令部（NAVSEA）、空军生命周期装备司令部、海军陆战队后勤司令部和国防后勤局官员表示，每个增材制造候选零件在生产之前都需要获得工程师的批准，以确保零件符合军用规范，因此国防部需要更多的工程师来满足增材制造零件的预期需求。

4 结语

近年来，军事发达国家采取多种举措推动增材制造技术的发展，旨在利用该技术缩短武器装备研制周期、降低研制成本、提高装备性能、改进后勤保障模式。此次审查可以看出，美国非常重视对增材制造技术的政策支持及统筹布局，正按照路线图的短、中、长期发展规划一步步推动其实施。从战略层面来看，美国将增材制造技术用于武器装备维修保障作为发展的重点，并开展全面审查，与国防部增材制造发展路线图及其重点技术领域的统筹布局保持一致，也是其在军事领域首个重点发展的应用方向。从管理层面来看，美国防部注重部门间的分工协作，以确保形成合力，满足武器装备发展需求，建立新的后勤供应和装备维修模式，并且采用公私合作的方式，借用私营部门的力量，全面推动增材制造技术的发展。从审查效果来看，美国防部总结了近几年增材制造技术在维修保障中应用成果，提出了在数据标准化、基础设施建设等方面暴露出的问题以及相关建议，为进一步拓展增材制造技术在武器装备维护保障中的应用范围，满足作战人员的战备需求提供了改进方向。