美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)遠(yuǎn)征后勤保障：增材制造技術(shù)

來(lái)源：藍(lán)德信息
作者：李雷

導(dǎo)讀：增材制造技術(shù)具備獨(dú)有的快速機(jī)動(dòng)、持續(xù)保障和低成本等優(yōu)勢(shì)，被美國(guó)國(guó)防部視為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)裝備維修和后勤保障等領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)。前沿部署的增材制造技術(shù)能夠讓海軍陸戰(zhàn)隊(duì)在戰(zhàn)場(chǎng)上迅速獲得備用零件，從而減輕遠(yuǎn)征部隊(duì)的后勤負(fù)擔(dān)。

遠(yuǎn)征移動(dòng)制造實(shí)驗(yàn)室
以美軍近年來(lái)流行的“實(shí)戰(zhàn)化練兵”為例，高溫高寒等極端氣候下，武器裝備性能會(huì)變得不穩(wěn)定，裝備受損的情況時(shí)有發(fā)生，經(jīng)常面臨“帶來(lái)的用不上，用得上的沒(méi)有帶，后方籌措又太慢”等窘?jīng)r，基于提高后勤保障能力的考量，美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)裝備和后勤部決定有針對(duì)性研發(fā)一種裝備，能在戰(zhàn)時(shí)修理和替換軍械零件，這就是X-FAB，或稱遠(yuǎn)征制造中心。

X-FAB處于開(kāi)發(fā)階段已有大約五年了，旨在為海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提供一種創(chuàng)新性后勤補(bǔ)給方式。當(dāng)專業(yè)的和難以找到的零件不容易獲得時(shí)，這種獨(dú)特的能力完全可用于前沿部署。X-FAB是一個(gè)獨(dú)立的、可運(yùn)輸?shù)脑霾闹圃鞂?shí)驗(yàn)室，可以與營(yíng)級(jí)海軍后勤維護(hù)單位一起部署。這個(gè)20×20英尺的庇護(hù)所可折疊，便于運(yùn)輸，并裝有五臺(tái)3D打印機(jī)、一臺(tái)激光掃描儀、一臺(tái)激光切割機(jī)和一個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，使海軍陸戰(zhàn)隊(duì)能夠在遠(yuǎn)征環(huán)境中制造替換和維修零件。

△美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)X-FAB實(shí)驗(yàn)室

每個(gè)X-FAB實(shí)驗(yàn)室都配備了兩臺(tái)Lulzbot TAZ Workhorse 3D打印機(jī)、兩臺(tái)Markforged X7 3D打印機(jī)、一臺(tái)3D Platform 3000系列打印機(jī)、一臺(tái)Epilog Fusion Pro 32激光切割機(jī)和一臺(tái)Quantum FAROArm S 3D激光掃描儀。XFAB還標(biāo)配了三臺(tái)筆記本電腦、兩臺(tái)工作站和一個(gè)55英寸的LED電視屏幕。

X-FAB集裝箱依靠發(fā)電機(jī)或岸上電源運(yùn)行，在選定好部署區(qū)域后，4名陸戰(zhàn)隊(duì)員花費(fèi)2-3個(gè)小時(shí)就可以搭建好X-FAB，如果將發(fā)電機(jī)也包含在內(nèi)的話，總重量約10500磅，還不到5噸，因此無(wú)需特種車輛運(yùn)輸，物流車輛系統(tǒng)或商用平板卡車就能裝載。而海軍陸戰(zhàn)隊(duì)作戰(zhàn)時(shí)一旦有了X-FAB，就有了基本的應(yīng)急能力，無(wú)須再像以前一樣等待至少1星期的時(shí)間從大后方運(yùn)送零件過(guò)來(lái)，機(jī)械師在1天之內(nèi)就能搞定。不過(guò)，3D打印移動(dòng)加工實(shí)驗(yàn)室從名稱就能看出來(lái)，它并沒(méi)有替代工廠車間的能力，尤其是在加工堅(jiān)硬的金屬部件時(shí)，沒(méi)有車床、銑床根本想都別想。

2018年7月至9月，美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)系統(tǒng)指揮部、裝備和后勤部在美北卡羅來(lái)納州Lejeune營(yíng)，對(duì)X-FAB的初代原型進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估。期間，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)員測(cè)試增材打印技術(shù)，然后收集機(jī)械師和官員對(duì)掩體尺寸、布局、軟件、打印材料和成品的意見(jiàn)，以繼續(xù)改進(jìn)，并嘗試部署到艦上。

當(dāng)整合到海軍陸戰(zhàn)隊(duì)遠(yuǎn)征部隊(duì)時(shí)，X-FAB將通過(guò)消除運(yùn)輸大量備件的需求來(lái)減少維護(hù)營(yíng)的后勤足跡。

近期案例：戰(zhàn)車顯示器支架

在海軍陸戰(zhàn)隊(duì)最近一次在阿富汗的部署中，他們的一輛戰(zhàn)車出了問(wèn)題。幫助炮手瞄準(zhǔn)主炮的屏幕支架在作戰(zhàn)中損壞了，使用再多的膠帶也無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題。如果沒(méi)有屏幕，車輛的武器系統(tǒng)就無(wú)法操作，這嚴(yán)重降低了該部隊(duì)在遭遇塔利班伏擊時(shí)的作戰(zhàn)效率。

△艾布拉姆斯戰(zhàn)車內(nèi)部

于是陸戰(zhàn)隊(duì)訂購(gòu)了一個(gè)新的框架，但是后勤指揮部花了一周的時(shí)間來(lái)處理訂單，美國(guó)的公司又花了一周的時(shí)間來(lái)制作框架，再花一周的時(shí)間將框架運(yùn)送到阿富汗，到了阿富汗后，又花了兩周的時(shí)間才在前沿作戰(zhàn)基地(FOB)收到框架。而那時(shí)，部隊(duì)已經(jīng)退回了日本重新部署。

隨后Cosine公司向陸戰(zhàn)隊(duì)提供了AM1 XL 3D打印機(jī)，像該案例中這樣的底座，使用這種大型3D打印機(jī)進(jìn)行快速修復(fù)，原本需要4-5周才能獲得的東西，現(xiàn)在只需一天就能打印出來(lái)。

△Cosine公司的AM1工業(yè)3D打印機(jī)是X-FAB項(xiàng)目的核心

例如，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)H-1直升機(jī)頭盔面罩支架(如圖所示)，將生產(chǎn)周期從270天縮短至10天，每個(gè)支架的成本從300美元降至0.75美元。

2016年，3D打印公司Cosine Additive就和美國(guó)能源部下屬的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)簽訂了合作協(xié)議，共同致力于高速3D打印大型復(fù)合材料部件技術(shù)的開(kāi)發(fā)。Cosine已經(jīng)展示了其在30小時(shí)內(nèi)3D打印33×8×8英寸、8.8磅物體的能力。而ORNL的加入要讓AM1在八小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)一個(gè)尺寸超過(guò)30×30×30英寸、重量50磅的部件。

近期案例：狙擊手瞄準(zhǔn)鏡-鏡帽

海軍陸戰(zhàn)隊(duì)第11遠(yuǎn)征部隊(duì)部署了戰(zhàn)術(shù)制造(TACFAB)3D打印套件，使其能夠打印全功能部件以及模具或原型，包括備件、齒輪和設(shè)備的典型庫(kù)存。

△第11海軍陸戰(zhàn)隊(duì)遠(yuǎn)征部隊(duì)MEU第11戰(zhàn)斗后勤營(yíng)人員(LPD 26)上用Lulzbot TAZ 6 3D打印機(jī)打印水壺蓋

海軍團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，在3D打印機(jī)的幫助下制造替換或修復(fù)部件。增材制造(AM)的過(guò)程是從原材料中制造物品，例如加熱并熔化成特定形狀的塑料絲線軸，以制造每個(gè)部件。增材制造和TACFAB背后的想法是讓部隊(duì)單位自己制造這些項(xiàng)目，并以比通過(guò)傳統(tǒng)的和更長(zhǎng)的供應(yīng)鏈更快的速度獲得所需的部件，尤其是在海上。

△圖注：第11海軍陸戰(zhàn)隊(duì)遠(yuǎn)征部隊(duì)(MEU)第11戰(zhàn)斗后勤營(yíng)的通信維護(hù)主管在圣安東尼奧級(jí)兩棲運(yùn)輸船塢運(yùn)輸艦?zāi)�撒�?hào)(LPD 26)上進(jìn)行3D打印

例如，當(dāng)遠(yuǎn)征部隊(duì)一個(gè)狙擊排需要一堆帽子來(lái)保護(hù)他們高價(jià)高精度步槍的瞄準(zhǔn)鏡時(shí)，后勤就開(kāi)始使用便攜式3D打印機(jī)、筆記本電腦和塑料細(xì)絲線軸制造精確復(fù)制的狙擊鏡帽，甚至精確到標(biāo)記和品牌設(shè)計(jì)。后勤隊(duì)花了幾個(gè)小時(shí)用綠色原材料制作帽子，然后涂上迷彩，以匹配第11海軍陸戰(zhàn)隊(duì)遠(yuǎn)征部隊(duì)狙擊小組使用的步槍。由于部隊(duì)部署在海外，制作鏡帽所花的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于從加州彭德?tīng)栴D營(yíng)地的大本營(yíng)或通過(guò)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的供應(yīng)鏈獲得替換帽子所需的時(shí)間。雖然帽子不是高價(jià)物品，但它們對(duì)狙擊手的作戰(zhàn)有效性至關(guān)重要，并確保他們的武器得到保護(hù)，并保持最佳的原始狀態(tài)。

通過(guò)TACFAB，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為遠(yuǎn)征海軍陸戰(zhàn)隊(duì)制造了許多小而關(guān)鍵的零件，這些零件經(jīng)常容易損壞或丟失。其中有：扳機(jī)護(hù)圈、戰(zhàn)斗光學(xué)鏡的風(fēng)阻調(diào)節(jié)罩、水壺蓋、由銥星衛(wèi)星無(wú)線電形成SIM卡托盤、GoPro頭盔式攝像機(jī)的適配器臂、小型激光探測(cè)器的安裝支架、旋轉(zhuǎn)光纖保持環(huán)、PRC-153無(wú)線電的側(cè)面檢修蓋和防風(fēng)雨密封件、TOW導(dǎo)彈鏡頭蓋、裝雷管的容器、步槍戰(zhàn)斗光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的蜂窩過(guò)濾器。后勤隊(duì)甚至制作了采購(gòu)不到的小夾子和一個(gè)S形支架，用來(lái)固定鏡子。

△兩棲船塢登陸艦LPD 26和阿利伯克級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦DDG 92在東太平洋通過(guò)

TACFAB產(chǎn)生了巨大的影響，特別是在幫助保持遠(yuǎn)征海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的高頻使用率設(shè)備(如收音機(jī))處于良好工作狀態(tài)方面。“默撒號(hào)”(LPD 26)上的一名海軍陸戰(zhàn)隊(duì)員僅用了9分鐘就在電源連接器絕緣體組件中創(chuàng)建了一個(gè)微小的鎖定機(jī)制，以修復(fù)VRC-110 Sim J27多波段無(wú)線電。這個(gè)小墊片確保電線不會(huì)接觸到收音機(jī)以致使其無(wú)法使用。從美國(guó)獲得替換該零件可能需要“數(shù)周甚至更長(zhǎng)時(shí)間”，而從原材料中“花費(fèi)7美分”就可以節(jié)省2122.93美元。

打印機(jī)能夠節(jié)省大量時(shí)間，避免出現(xiàn)因一個(gè)零件影響一場(chǎng)戰(zhàn)斗或演習(xí)的事故。3D打印能力在整個(gè)部署過(guò)程中支持了海軍陸戰(zhàn)隊(duì)遠(yuǎn)征部隊(duì)/兩棲戒備大隊(duì)進(jìn)行的分布式作戰(zhàn)。根據(jù)遠(yuǎn)征部隊(duì)的概要，默撒號(hào)兩棲艦上的后勤團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了大約30個(gè)項(xiàng)目，總花費(fèi)僅為4851美元，產(chǎn)生令人難以置信的成本效益。

TACFAB系統(tǒng)封裝在一個(gè)便攜式的堅(jiān)固外殼中，便于前線單位或較小的部署后勤團(tuán)隊(duì)移動(dòng)，以創(chuàng)建最大14英寸乘14英寸大小的項(xiàng)目。它比海軍陸戰(zhàn)隊(duì)X-FAB移動(dòng)遠(yuǎn)征制造中心里的大型3D打印機(jī)更小，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)可以在這里用各種材料制造更大的組件，包括重型設(shè)備項(xiàng)目的金屬。

TACFAB印刷受到尺寸的限制。它不會(huì)被用于制造承受高應(yīng)力或需要特定軍事規(guī)格的部件。但后勤隊(duì)與“拳師號(hào)”兩棲艦上的機(jī)械和制造車間的水手合作，創(chuàng)建一些組件或?yàn)門ACFAB無(wú)法完成的金屬部件制造模具，“拳師號(hào)”擁有車床和3D功能來(lái)支持兩棲部隊(duì)。隨著越來(lái)越多的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在使用和設(shè)計(jì)要構(gòu)建的項(xiàng)目方面進(jìn)行了試驗(yàn)并獲得更多經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)和培訓(xùn)也在不斷進(jìn)步和發(fā)展。還需要一些科學(xué)知識(shí)來(lái)計(jì)算聚合物的拉伸強(qiáng)度，以確保耐用性。

海軍陸戰(zhàn)隊(duì)第26遠(yuǎn)征軍是第一個(gè)部署3D打印能力的海上單位。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的項(xiàng)目包括：用于作戰(zhàn)計(jì)劃人員使用的地形模型的微型飛行器。第31遠(yuǎn)征軍也在那年春天將3D能力投入使用，在其他項(xiàng)目中，為F-35B“閃電”II聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)上的起落架艙門制造了一個(gè)緩沖器。

存在的問(wèn)題
目前該實(shí)驗(yàn)室面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是將一整套增材制造設(shè)備整合到一個(gè)可部署的可擴(kuò)展剛性墻體方艙中。增材制造打印機(jī)通常需要在精心設(shè)計(jì)的溫控空間內(nèi)使用，因?yàn)?D打印機(jī)對(duì)溫度、濕度、沖擊、振動(dòng)和電力穩(wěn)定非常敏感(車載電源會(huì)有電壓波動(dòng)，容易受到附近設(shè)備的電磁干擾)。如果需要更大的零件，那么就需要更大、更重的打印機(jī)，但要整合到鋼結(jié)構(gòu)方艙里很難。

小結(jié)
美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)遠(yuǎn)征部隊(duì)已經(jīng)宣布，到2024年將部署21個(gè)增材制造遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室，用于作戰(zhàn)受損裝備的修復(fù)。通過(guò)采用增材制造技術(shù)，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提高了戰(zhàn)備能力，大幅降低了生產(chǎn)成本。(北京藍(lán)德信息科技有限公司 研究員 李雷)

參考資料：
[1] US Marines Mobilize 3D Printing with X-FAB Project. COSINE ADDITIVE.
[2] Marines At Sea Leaning on 3D Print-to-Order Parts to Stay in the Fight - USNI News