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美国防部首份《增材制造战略》解析

来源:澳门葡京赌场官网网址航空报作者:阴鹏艳责任编辑:伍行健
2021-04-06 07:44

2021年1月,美国防部负责研究和工程的副部长办公室(OUSD (R&E))战略技术保护与开发(STP&E)办公室下的国防部长办公室制造技术(OSD ManTech)项目办公室发布了首份综合的《增材制造战略》文件,美军各军种和其他国防机构合作参与了该项战略的制定。文件中介绍了增材制造的内涵以及对国防战略改革的重要意义,描绘了推行增材制造战略的目标与愿景,针对增材制造的五个重点发展领域展开了详细阐述与路径规划,并提出了下一步工作的关键步骤,为增材制造技术这一改变游戏规则的前沿技术在国防部范围内的发展与应用构建了共同的愿景与路径。增材制造被视作推动国防战略改革的重要力量

1、增材制造技术概述先进技术正在改变系统的制造方式以及生产信息和数据的管理方式。增材制造,通常也称为3D打印,是一种根据零件三维模型数据将材料逐层连接起来的数字化制造方法,可以大大提高生产速度和灵活性。

运用增材制造技术可以制造其他工艺方法无法完成的部件、独特地组合各种材料、生产已过时淘汰的零件、快速制造原型,以及创建辅助制造的专业工装和模具等,是实现国防系统创新和现代化、支撑战备和作战人员就绪的强大工具。增材制造的快速原型设计和独特的制造能力将使工程过程从“设计-制造-测试”到“建模-分析-制造”模式的转变成为可能。

标准开发机构美国材料与试验协会(ASTM)根据原材料和能源方式的不同,将增材制造分为七大类别,这些工艺及相关技术可用于制造从地面到空中系统的聚合物、金属、陶瓷、复合材料部件和电子元件(如传感器、天线)等。

2、增材制造可从三方面推动国防战略改革

在美国《2018年国防战略》中,将“建设一支更具杀伤力的部队”以及“富有弹性及灵活的后勤保障”等作为重要改革目标,可以快速、按需和定制化制造的增材制造可以在三方面为这些目标赋能。

(1)国防系统现代化对应《2018年国防战略》纲要中的“建设一支更具杀伤力的联合部队”目标。增材制造通过整合材料、设计和加工过程,从根本上改变了部件的设计方式,这些创新设计可以实现更优的性能。此外,增材制造还可以将多个组件设计为单个部件,减少零件数量、制造成本和重量,同时提高系统可靠性。组合部件、混合材料、创建创新轻质结构和构建内部特征的能力,可以显著减少新系统的生产时间,提高作战人员的响应速度。

(2)提高装备战备完好性对应《2018年国防战略》纲要中的“快速、迭代的能力开发方法将减少成本、技术淘汰和采办风险”和“弹性、敏捷的后勤”目标。在企业范围内应用增材制造技术将提高任务就绪度,确保作战人员在需要时获得关键能力。它能够快速生产原型,减少开发时间并加快迭代。通过提供低成本的替代制造商来扩大传统供应商基础,其灵活生产能力还有助于降低老旧过时部件的风险。此外,增材制造生产过程可以分配和扩展到多个机器、多个地点,减少设备停机时间,提高维护和维修效率。在无法获得零件和数据的情况下,逆向工程和增材制造是维护遗留系统的有效方法。

(3)增强作战人员的创新和能力对应《2018年国防战略》纲要中的“作战人员的创造力和天赋是最持久的力量”。增材制造允许在战区开发创新的解决方案。当前已有许多案例:美国海军陆战队在实地打印传感器外壳方面进行了创新;陆军战地维修单位成功打印了低成本盖体来保护坦克上价值100万美元的镜头;空军使用增材制造替换C-5的老旧部件,成本仅为原来的5%。

互联的数字方法是增材制造战略的基本要素。数字线索可以为安全有效地应用增材制造提供完整、安全、权威的数据处理集成,使作战人员能够安全地访问有权限的数据,分享并反馈创新的解决方案。

增材制造战略的目标与愿景 1、战略目标《增材制造战略》旨在为增材制造技术的发展和过渡提供一套共用的指导原则和框架,以支持国防部、军事部门和相关机构的现代化和战备完好性,并为国防部长办公室、各军种和国防部相关机构在当前或计划活动的基础上减少冗余、协调资金,提高实施增材制造的有效性。

《增材制造战略》将使增材制造进入被普遍接受的技术领域(如机械加工和铸造)。要使增材制造在国防部受到重视和推崇,必须满足五个基本需求:

①确定快速和标准化的材料和工艺鉴定方法,以及增材制造部件的认证方法;

②探索承包和采办增材制造数字化技术数据的新商业模式;

③形成在前方作战区生产增材制造部件的后勤保障模型;

④建立增材制造技术数据内容标准;

⑤构建可互操作的安全的增材制造数字线索连接和数据管理方法。

2、战略愿景未来,增材制造能够支撑建立战胜敌对威胁的更敏捷、适应性更强、更一致的国防工业基础,它将被广泛应用于创新设计,提高武器系统和作战人员的杀伤力和可靠性,成为被国防部和国防工业基础广泛接受并应用的制造技术。这一前沿技术将更快地从研究和开发阶段过渡到支持现代化和可持续发展的成熟能力。

数字线索作为由相互连接的系统、软件和数据组成的生态系统,将更高效地将信息与物理过程相联系,加速增材制造的应用。建模与仿真、人工智能和机器学习等先进技术的使用将更有效地促进新能力的开发和生产应用。

标准、规范和数据集将可用于快速鉴定增材制造机器和材料,并对增材制造零件进行认证。各环节人员将接受与其工作相应的培训:采办和工业部门将学习如何在装备研发、生产和使用维护中适当应用增材制造;各军种人员将熟练使用增材制造解决现场挑战;工程师经过充分培训,可以对增材制造工艺进行设计;制造操作人员将获得使用增材制造机器相关资质认证。

增材制造战略聚焦于五个关键发展领域增材制造仍是一项新兴技术,尽管其在整个国防工业基础的应用有所增长,但其全部潜力仍待发展。《增材制造战略》提出了五项战略目标及关键聚焦领域,以推动增材制造在国防领域广泛采用。包括:将增材制造集成到国防部和国防工业基础中;协调国防部和外部合作伙伴的增材制造活动;推动和促进增材制造的敏捷应用;通过学习、实践和共享知识扩展增材制造的熟练程度;加强增材制造工作流的安全性。

1、将增材制造集成到国防部和国防工业基础中

(1)制定政策和指南,尽可能使增材制造被广泛采用

政策和指导必须具备灵活性,不仅允许短期快速采用以满足战备需求,还可以允许通过长期设计改进系统。政策和指南需要关注增材制造的技术、业务实践和战略,以解决知识产权和网络保护等对数字制造至关重要的问题。政策将涉及采办过程,确保适当考虑必要的数据权属,以支持维护、成本分析和其他行业和政府利益的权衡。

(2)修订军种和机构层面的增材制造实施计划

军种和国防部相关机构已经开始制定初步的增材制造框架和实施计划,以解决整个组织中增材制造的开发和执行问题。这些计划的核心是以下贯穿国防部的基本原则:

·通过制定资格和认证指南来提高熟练程度,以确保军种具备最佳能力,以及如何在整个政府、行业和学术界共享信息;

·通过广泛的思想交流促进创新设计;

·为远征及需求提供指导;·培养世界级的从业人员、设计师、技术人员和采购专业人员;

·定义业务实践、后勤、成本建模和供应链集成政策和指南。

(3)制定评价标准国防部将细化当前的一系列指标,以定义增材制造在战备和成本方面的价值,包括在小批量还是大批量生产中如何一致、准确地生产产品。性能和有效性度量方式将在国防部范围内达成一致。

(4)在合同管理与采办流程中开发并共享新的增材制造业务模型

开发人员需要业务模型和合同指南,以在适当的地方扩大和激励增材制造部件在国防部武器系统中的使用。指南或指示需要涉及从初始设计到维护的采办周期所有阶段。国防部将考虑将技术数据访问作为合同流程的一部分,包括可选择的业务模式,例如获得数据访问许可而不是直接获取所有数据。

(5)采取健全的风险管控措施风险管控措施需要考虑可定制资格和认证流程失败的后果,解决各军种特殊需求、网络安全和运营使用问题。国防部还将使用部件管理最佳实践(配置控制和部件识别)来防止假冒部件并确保质量。

2、协调国防部和外部合作伙伴的增材制造活动

(1)资源与保障的跨军种协作一个正式的跨国防部合作框架正在建立,成立增材制造联合工作组(JAMWG)可以提供一个论坛,以分享最佳实践、确定共同的挑战和主要的资源缺口、就联合项目进行合作,并为政策或指南的更改修订提出建议。

(2)修订联合路线图并整合资源2016年,第一份国防部范围内的《增材制造路线图》公布了四个重点领域:设计、材料、工艺和价值链。美国国防部正在对该路线图进行更新,以纳入更先进的技术和来自当前军方项目的信息,并调整研发、采办、后勤和业务流程投资。

(3)与联邦政府和外部利益相关者建立合作

美国国家航空航天局、能源部、联邦航空管理局、商务部等都有积极而强大的增材制造计划和活动,国防部将在可能的情况下确定联合项目和计划。此外,国防部已经建立了八个公私伙伴关系,国防部将从战略和战术上通过这些伙伴关系参与投资,以推进增材制造和相关技术(如数字工程)的发展。

3、推动和促进增材制造的敏捷应用

(1)开发并共享新的增材制造资格认证和鉴定方法

国防部将利用数据、经验教训和已经从军队和工业中开发的最佳实践来鉴定和认证增材制造组件,以便开发通用的定义和标准来快速实现改进。

(2)利用先进技术改进设计增材制造的灵活性要求开发新的技术方法来加速设计、鉴定和认证过程。军种部门目前正在评估建模和仿真(M&S)工具,以增强金属结构件的可靠性和成本效益。

(3)支持增材制造在现场的部署和应用

必须为现场/海上部队和指挥官提供具有指导性的简化能力,能够对零件需求进行分类,为需要加强审查的零件提供工程批准和反馈,并最大限度地降低前线部署单位在接受3D打印解决方案时承担的风险。扩展完整、安全和权威数据的数字线索将支持这一过程。

4、通过学习、实践和共享知识扩展增材制造的熟练程度

(1)学习流程和最佳实践国防部工作人员需要额外的技术和非技术教育来确保具备全面的增材制造专业知识,以了解小批量和长交付周期挑战的业务影响、成本模型和成本效益分析,以及知识产权政策和实践的影响。军事部门和国防机构将利用、开发和采用与当前工作岗位相关的技术认可和认证,并适用于学术界和工业界就业。

(2)实践制造零件的规程国防部正在部署实习计划与实践培训,该部门将与业界合作,建立培训和认证增材制造工程师和技术人员的标准和最佳实践。工作人员必须不断地展示、使用和加强增材制造能力和熟练程度。

(3)共享知识更快达到熟练程度和保持核心能力的一个关键方法是确保重要信息与国防部内外各级决策者一致。国防部军事部门将在内部和适当的时候与外部合作伙伴分享最佳实践和经验教训。

5、加强增材制造工作流的安全性(1)保护、控制和管理数据传输和访问

国防部将建立验证增材制造零件数据的流程,并使用数字孪生进行验证和防篡改,确保数字供应链的安全;将使用数据管理最佳实践和配置控制增材制造技术数据;将为前方环境中未联网的增材制造机器提供指南;将开发管理和保留中间类型数据的最佳实践,确保专有和敏感数据得到适当处理。

(2)为机器建立直接、安全的网络连接

国防部将利用现有的网络安全框架,安全地将增材制造机器连接到网络;将与制造商合作,以考虑增材制造相关设备的网络物理安全要求;将与工业界合作,确定并实施信息技术(计算机、网络、数据管理软件、数字孪生模型)和操作技术风险管理方法的最佳实践,增强信息物理安全;将制定数字线索能力指南,验证增材制造机器的资格和网联机器的配置。

(3)使用质量保证流程验证零部件

材料和机器管理是最终零件质量保证的基本要素。质量保证(QA)流程由国防部开发,可以根据零件的风险评估进行定制。国防部将根据零部件工艺为增材制造机器、材料鉴定和材料管理制定政策和指南。解决增材制造零部件检查和验证的途径包括:

·将增材制造的检验和计量规范标准化

·开发用于零件安全性验证的原位传感器

·提供支持验证的数据和软件

下一步计划国防部长办公室和各军种将共同努力,通过实施增材制造战略来加速该技术的广泛采用,后续的关键步骤包括:

(1)合作开展联合增材制造活动国防部长办公室将继续通过联合国防制造委员会和联合增材制造工作组与各军种和机构合作,以集体实施该战略的活动为导向,确保军种部门、国防部、国防后勤局(DLA)和其他部门之间的最高级别的协调。工作组将为军种和机构确定指标,以采用和跟踪增材制造的使用、管理和价值。

(2)完善国防部实施计划各军种和机构将与国防部长办公室合作,根据需要完善或创建增材制造实施/战役计划和路线图,以与增材制造战略保持一致。

(3)实施计划并与业界合作国防部长办公室、各军种和机构将通过启动试点项目来解决运营和业务差距,并与行业标准开发组织合作,开发和实施通用的增材制造标准。国防部将评估并确保有足够的资源支持这项活动。

(4)建立增材制造数字工作流国防部将实施增材制造政策、指南和培训计划,以确保向新硬件的全数字化设计过渡。国防部长办公室、各军种和机构将支持研究和开发计划,以将先进技术(如人工智能、机器学习、过程监控等)集成到增材制造数字线索和数字制造环境中。

观点增材制造已被美国视为发展敏捷的领先军事能力的重要手段之一。早在2016年11月,国防部便及时响应新兴技术的应用需求,联合美国国家增材制造创新机构发布了《增材制造路线图》。经过四年的发展,工业界已经涌现出可以适应多种材料、多类工况的增材制造工艺,在航空发动机、飞机零部件、战备等军民领域的装备与场景中的应用占比逐渐上升,先进增材制造机器也在不断向大型化、快速化方向发展。空军研究实验室、陆军、DARPA以及波音、罗·罗等军方机构和国防制造商都投资或参与多项增材制造研究项目。此次发布《增材制造战略》,表示美国军方已高度认可了这一技术既有和潜在的优势能力,因而针对推进增材制造广泛采用与标准化的途径进行了顶层规划,并提出了清晰的发展路径。

《增材制造战略》认为,广泛采用增材制造的预期优势包括通过面向增材制造的创新设计驱动更致命的系统,提升装备战备完好性,并赋予作战人员在战区实时解决问题的能力。完善顶层框架设计,制定政策、实施计划与标准,提升技术成熟度、劳动力专业知识水平,以及数据、材料和机器的可用性和安全性,都将有助于发挥增材制造的优势,这些也是美国在其他战略和活动(如数字工程战略、数字战役活动等)中都会规划建设的因素,对我国推进新技术、新模式的发展和应用具有借鉴意义。

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