近年來，美海軍高度重視增材制造在艦船領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，旨在利用其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，縮短武器裝備研制周期、降低維護(hù)成本；同時(shí)，積極嘗試艦上打印，以期大幅提升艦艇的后勤保障能力。

美海軍通過制定增材制造技術(shù)不同階段的發(fā)展目標(biāo)、計(jì)劃實(shí)施方式以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，指導(dǎo)增材制造技術(shù)在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用。

2017年，美海軍發(fā)布“海軍增材制造實(shí)施計(jì)劃”，確定了增材制造技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)：①制定技術(shù)和質(zhì)量認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，確保增材制造零部件的性能滿足海軍要求；②將數(shù)字化技術(shù)用于各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，擴(kuò)大增材制造技術(shù)適用范圍；③建立艦員技術(shù)培訓(xùn)和認(rèn)證體系，安全、有效地使用增材制造設(shè)備；④發(fā)展增材制造相關(guān)業(yè)務(wù)（如合同制定、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、法律指導(dǎo)等），加速增材制造技術(shù)的快速應(yīng)用；⑤快速小批量生產(chǎn)，滿足后勤保障要求。該計(jì)劃由政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同實(shí)施，并由負(fù)責(zé)研發(fā)、試驗(yàn)與鑒定的助理海軍部長(zhǎng)，海軍作戰(zhàn)部負(fù)責(zé)戰(zhàn)備與后勤的副部長(zhǎng)以及海軍陸戰(zhàn)隊(duì)負(fù)責(zé)戰(zhàn)備與后勤副司令組成的海軍增材制造執(zhí)行委員負(fù)責(zé)監(jiān)督。

2018年，為推動(dòng)增材制造技術(shù)的艦上應(yīng)用，負(fù)責(zé)研發(fā)、試驗(yàn)與鑒定的助理海軍部長(zhǎng)簽發(fā)了“海軍增材制造計(jì)劃”，相比2017年發(fā)布的“海軍增材制造實(shí)施計(jì)劃”新增一項(xiàng)發(fā)展目標(biāo)——艦上打印，以增加海上保障能力。

1、武器裝備研制

增材制造技術(shù)大幅提高了關(guān)鍵構(gòu)件的制造速度，縮短了新裝備的研制周期并加速其實(shí)用化進(jìn)程，有望改變傳統(tǒng)制造技術(shù)拖累先進(jìn)裝備研制進(jìn)度與性能水平的情況。

（1）船體

武器裝備設(shè)計(jì)階段需要先制造出原型進(jìn)行評(píng)估，增材制造技術(shù)可以快速制作船體模型以供測(cè)試和驗(yàn)證，從而縮短艦艇裝備的研發(fā)周期。

2017年7月，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與海軍顛覆性技術(shù)實(shí)驗(yàn)室合作，首次采用3D打印技術(shù)成功制作了長(zhǎng)約9.14米的潛艇艇體模型，從概念設(shè)計(jì)到組裝的全過程僅耗時(shí)4周，遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)潛艇所需的數(shù)年時(shí)間，并將成本降低90%；2019年5月，美海軍用3D打印技術(shù)為海豹突擊隊(duì)制造了小型載人潛水器艇體，生產(chǎn)周期由原來的5個(gè)月縮短至數(shù)周，耗資從80萬美元降至6萬美元。

圖1  3D打印潛艇艇體模型

（2）零部件

艦艇裝備中的某些零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且對(duì)強(qiáng)度等性能有特殊要求，采用增材制造技術(shù)可大幅提高制造效率和產(chǎn)品性能。

在提高制造效率方面，為解決導(dǎo)彈連接器常出現(xiàn)的斷裂問題及T-45“蒼鷹”教練機(jī)的供氧問題，美海軍分別于2016年和2017年利用3D打印技術(shù)制備出滿足要求的鋁合金連接器底殼和聚醚酰亞胺空氣導(dǎo)管，其中連接器底殼的設(shè)計(jì)和制造時(shí)間縮短1/2，空氣導(dǎo)管的制造僅耗時(shí)48小時(shí)。

圖2  3D打印供氧面罩空氣導(dǎo)管

在優(yōu)化產(chǎn)品性能方面，美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心于2020年4月采購(gòu)12臺(tái)LulzBOT TAZ型3D打印機(jī)，并升級(jí)了金屬增材制造設(shè)備，以提高3D打印金屬部件的性能；為滿足航母對(duì)零部件的高性能要求，美海軍海上系統(tǒng)司令部2018年在“杜魯門”號(hào)航母上完成了增材制造排水過濾孔的多項(xiàng)性能測(cè)試，并于2019年批準(zhǔn)用于“杜魯門”號(hào)航母。

2、維修保障

艦船執(zhí)行任務(wù)過程中，常因部分部件失效造成任務(wù)中斷，增材制造技術(shù)可用于裝備服役過程中失效零件的快速修復(fù)，大幅減少零部件更換時(shí)間，提高艦船的戰(zhàn)備水平。

（1）小型部件維修

艦艇裝備服役過程中，某些零部件失效后需要快速更換，使用增材制造技術(shù)可快速加工所需零部件。

2018年9月，“阿利•伯克”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦將采用3D打印技術(shù)制造的新螺栓用于替換飛機(jī)庫艙門滾輪上的受損螺栓，節(jié)省了維修時(shí)間和成本。此外，美國(guó)海軍近兩年還利用增材制造技術(shù)為“斯坦尼斯”號(hào)航母（CVN 74）和“伊利湖”號(hào)巡洋艦成功修復(fù)商業(yè)寬帶衛(wèi)星終端旋轉(zhuǎn)接頭、保險(xiǎn)絲盒等零部件，修復(fù)時(shí)間最短僅為1天，而傳統(tǒng)更換流程通常需要數(shù)月時(shí)間。

（2）艦上按需打印

艦上搭載3D打印機(jī)可為艦艇在巡航過程中及時(shí)制造或維修零部件，能夠有效緩解后勤保障壓力。

2017年8月，美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)計(jì)劃將移動(dòng)式增材制造實(shí)驗(yàn)室（X-FAB）部署到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，進(jìn)行受損零件的快速維修與備件制造，縮減維修保障的后勤規(guī)模，降低對(duì)關(guān)鍵零部件后勤供應(yīng)的依賴；2019年9月，美國(guó)海軍水面戰(zhàn)中心采購(gòu)的Metal X打印機(jī)計(jì)劃搭載于航母或其他軍艦，有望將Inconel 625合金的生產(chǎn)成本減少85%。

圖3  Metal X打印機(jī)

目前3D打印技術(shù)在艦船領(lǐng)域主要用于小型零部件的制造，雖然能制備高強(qiáng)度和大型部件，但可靠性難以完全保障。未來美海軍將加大3D打印大型金屬部件的可靠性研究，以進(jìn)一步提高造船效率，并進(jìn)一步推動(dòng)艦上打印發(fā)展。