美海军扩大舰船增材制造技术

据国家防务网5月22日报道，去年，美国海军的一艘大型两栖舰艇上的一个小型塑料耦合器发生故障。该耦合器是舰上某型飞机发射和回收系统的一部分，这意味着故障导致关键功能关闭。这就是海军所说的舰艇“事故”。

美国海军海上系统司令部增材制造项目经理吉姆·普鲁塔在最近举行的海-空-太空会议上解释说，耦合器“位于最低可更换部件之下”，这意味着它不是舰船上的单独零件。

这艘船当时正在出海，向美国订购了一套替换组件。与此同时，船员们决定启动船上的聚合物3D打印机，制造一个耦合器。

普鲁塔称，“他们说，‘我们要继续研究如何对这个部件进行逆向工程，并使其符合MarkforgedX7系统的要求。’”

然而，打印机的碳注入聚合物材料太坚固，制成的耦合器在适当的扭矩极限下不会失效。团队通宵达旦地打印，并重新设计，以获得符合原始规格的零件。

船舶将部件安装到位，进行了测试，并且其性能符合要求。这只是3D打印机在过去几年中帮助海军摆脱的几个困境之一。

美国海军海洋系统司令部增材制造集成项目经理马克·马西表示，这就是为什么海军迫切需要在战区附近的船上和岸上安装更多打印机。

该战略的最终目标是让金属增材制造与铸件和锻件（基本上是传统制造工艺）实现互换。这一目标涉及将增材制造扩展到造船、维护和保养、岸上设施和海上设施等各个领域。该技术可以帮助行业提高造船能力，实现每年生产两艘弗吉尼亚级潜艇和一艘哥伦比亚级潜艇的目标。

增材制造对于满足维护计划和提高供应链弹性也至关重要。海军正在通过增材制造来生产高风险和低风险零件。

美国海军正在与工业界和学术界合作，通过对材料和工艺组合进行分组来表征材料，例如316L钢和线弧直接金属沉积，并检查拉伸强度、疲劳、耐腐蚀性和其他特性。

“我们将执行这些计划，”他说道，“我们将对其进行迭代，采购添加材料，将其安装在船上环境中，确保其性能符合预期。”

美国海军的海上增材制造计划在2024财年成为一项记录在案的收购计划，海军正在利用与行业和原始设备制造商签订的其他交易授权合同来快速获取3D打印部件进行评估。

“我们希望首先解决最大的问题，无论是质量问题、材料供应减少、制造短缺部件，还是诸如此类的问题，”他说，“我们希望首先解决这些最大的问题，但也明白我们需要AM的运营经验，我们必须安装部件才能获得运营经验。”

美国海军的增材制造工作在2018年加速发展，在航空母舰上部署了聚合物3D打印机、计算机数控铣床、激光切割机、手持式扫描仪和用于零件逆向工程的计算机辅助设计软件。

2019年，美国海军在其他舰艇上部署了类似的系统：两艘大型甲板两栖舰艇、两艘小型两栖舰艇和一艘驱逐舰。

在2022年11月，美国海军在巴丹号两栖攻击舰上部署了菲利普斯增材混合金属系统，可以线材打印316L不锈钢。这台飞利浦打印机将Meltio3D激光金属线沉积头与HaasTM-1计算机数控铣床相结合，成功为用于调整舰船纵倾的空气压缩机之一制造了喷水板，以便登陆艇下水和回收。他说，这是另一个现实世界中增材制造解决伤亡并让舰船重新投入使用的案例。

“因此，从‘我遇到问题’到部件制造完成，从‘闪光’到‘部件到位’，再到安装、测试和批准在船上使用，一共只用了五天时间，”他说，“因此，这非常关键，也非常有意义地证明了为什么金属增材制造在船上是必要的。”

到2024年，该军种的重点是扩大岸上增材制造。美国海军正在寻求2025财年预算资金，在航空母舰、舰艇和潜艇上安装40至50台聚合物打印机和10套金属增材制造系统。

普鲁塔表示，技术方面最大的障碍是找到能够处理船上部署的增材制造系统。目前，菲利普斯混合金属线系统已经证明可以应对海上部署。

在2022年海军主导的环太平洋演习期间，埃塞克斯号航空母舰试验了一台Xerox ElemX液态金属打印机。这种打印机对于制造经常损坏的非关键部件（如阀门手柄）很有用，但打印机的体积很大（20乘8英尺的CONEX盒子，重14,500磅），而且功率需求很大。大家一致认为，液态金属技术还不适合在船上部署。普鲁塔表示，需要对液态金属打印技术进行更多的陆上测试。

飞利浦的系统比施乐打印机小得多，但由于系统规模较大，它将仅限于大型甲板两栖舰、航母、潜艇补给舰和远征海上基地舰。

聚合物增材制造系统的大小与微波炉相当，因此很容易在船上找到放置这些打印机的空间。“对于聚合物系统，我们进行了大量研究来检查系统在动态环境中的表现，从运动到加速度、振动、[电磁干扰]测试、冲击测试等，”他说，“因此，我们研究了各个方面，以确保我们为水手提供的聚合物系统能够在该环境中可靠运行。......对于我们今天能够获得的2024年技术，以及至少在接下来的几年里，我认为我们在技术方面已经有了一个非常好的解决方案。”

对于配备3D打印机的舰艇上的水兵来说，这项技术已经证明了其战备方面的价值。

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