【深度好文】3D打印如何變革軍工業(yè)

3D打印技術(shù)不僅是軍方下游生產(chǎn)端的一種高效技術(shù)手段，更將成為變革軍工業(yè)供應(yīng)鏈條的重要推動力量。近年來，3D打印成為全球媒體熱詞。由于具備快速、精確、定制化、遠(yuǎn)程制造、減少浪費(fèi)等優(yōu)勢，該項(xiàng)技術(shù)被普遍視為全球先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展趨勢之一。

今年8月，蘭德公司三名研究人員——西蒙?維羅尼歐、杰弗里?托靈頓和雅克布?赫拉夫卡聯(lián)名發(fā)表了名為《3D打印：先進(jìn)制造技術(shù)帶動供應(yīng)鏈變革》的調(diào)查報告。報告特別指出了3D打印技術(shù)在國防、航天、核武器等軍工產(chǎn)業(yè)中的重要作用，認(rèn)為3D打印技術(shù)不僅是軍方下游生產(chǎn)端的一種高效技術(shù)手段，更將成為變革軍工業(yè)供應(yīng)鏈條的重要推動力量。

三大優(yōu)勢

蘭德公司的三位研究人員認(rèn)為，從車輛、飛機(jī)到軍用艦船，3D打印技術(shù)帶來的生成式設(shè)計理念、多功能部件和新型材料，將顛覆性地改變軍品和民品的生產(chǎn)制造模式乃至運(yùn)輸方式。具體看來，3D打印技術(shù)主要包括增材制造和數(shù)控加工兩個主要步驟，與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，其在軍工領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢。

增材制造技術(shù)可有效減少對原材料的浪費(fèi)。增材制造又被稱為快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping)，是基于數(shù)字化圖紙設(shè)計，采用原材料逐層累加的方法進(jìn)行產(chǎn)品制造的先進(jìn)技術(shù)。打個比方，傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)就像做木雕一樣，是通過切削機(jī)床給整塊材料做減法，過程中會產(chǎn)生大量的原料浪費(fèi)。而增材制造技術(shù)則更像是一幅沙雕作品，以金屬粉末、顆�；蚪饘俳z材為原材料，逐層堆積累加而成，材料浪費(fèi)自然大大減少。

同時，與大規(guī)模同質(zhì)化生產(chǎn)模式不同，增材制造技術(shù)通常與數(shù)控機(jī)床配合使用，這樣就能根據(jù)實(shí)際需求、以較低的成本對產(chǎn)品細(xì)節(jié)進(jìn)行微調(diào)，對于創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計大有助益。例如，美國Harry S. Truman號航空母艦就曾在八個月航期內(nèi)，用兩臺3D打印機(jī)設(shè)計并制造出一種能減少漏油的油罐漏斗、一個帶有特殊防護(hù)蓋的電燈開關(guān)和一個用于加強(qiáng)對講機(jī)信號的小型裝置。

此外，3D打印技術(shù)對軍事制造業(yè)的變革，不僅體現(xiàn)在創(chuàng)新、升級武器裝備工藝方面，更表現(xiàn)在完善軍需供給方式上。英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志曾在2016年11月發(fā)表文章指出，便攜式3D打印機(jī)非常便于運(yùn)輸，這就像是給作戰(zhàn)部隊配備了一個可以隨時隨地設(shè)計制造軍需品的小工廠。綜合來看，3D打印技術(shù)比較適合那些對于產(chǎn)品特性或外形有特殊定制需求，且制造地點(diǎn)不便于物流運(yùn)輸或遠(yuǎn)離配送中心的情況，而這些優(yōu)勢恰好可以滿足前方作戰(zhàn)部隊即時打印關(guān)鍵部件、“隨打隨用”的需求，并大大省去運(yùn)輸成本。

相反地，對于那些需求穩(wěn)定、產(chǎn)品類型單一、沒有特殊時限要求、配送鏈條成熟完善的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域而言，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢則會相應(yīng)減少。這意味著，傳統(tǒng)制造技術(shù)在短期內(nèi)仍不會被淘汰。

快速普及

當(dāng)前，3D打印技術(shù)已進(jìn)入向軍用、商用和民用領(lǐng)域快速普及的階段。從發(fā)展軌跡來說，3D打印技術(shù)的應(yīng)用要經(jīng)歷四個階段：第一階段會有部分領(lǐng)域的極少數(shù)企業(yè)出于引領(lǐng)創(chuàng)新的目的率先實(shí)踐；第二階段會漸漸邁入工業(yè)化生產(chǎn)的門檻；第三階段會有更多企業(yè)加入到應(yīng)用新技術(shù)的大軍中來；第四階段技術(shù)門檻將繼續(xù)降低，直至向普通民眾敞開大門。

蘭德公司的報告認(rèn)為，截至2016年，3D打印技術(shù)已經(jīng)走過了前兩個發(fā)展階段，正在向軍用、商用和民用領(lǐng)域快速滲透普及。其中，最具代表性的例子是，目前全球各大發(fā)達(dá)城市陸續(xù)涌現(xiàn)出一些“微觀制造實(shí)驗(yàn)室”(Fabrication Labrotory，簡稱Fab-lab)。這類實(shí)驗(yàn)室起源于本世紀(jì)初的美國，通過采用先進(jìn)的材料技術(shù)、信息技術(shù)和3D制造工藝，成為一個可以打印任何產(chǎn)品和工具的迷你型工廠。

各國軍方對此類實(shí)驗(yàn)室寄予厚望。例如，美國海軍陸戰(zhàn)隊就在今年8月宣布，將對一個名為X-FAB的便攜式3D打印實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行技術(shù)評估。X-FAB占地面積約為6平方米，擁有4臺3D打印機(jī)、1臺掃描儀和若干臺便攜式軍用計算機(jī)。有了這類實(shí)驗(yàn)室，軍方以往需花費(fèi)幾周甚至幾個月訂購才能獲得的零部件，現(xiàn)在只要一天乃至幾個小時就能被打印出來。

除了快速、靈活設(shè)計制造的能力外，X-FAB的另一大特點(diǎn)是可隨軍運(yùn)載。它的總重量僅為4.8噸，可以被“折疊”收納在集裝箱中，由中型卡車隨軍運(yùn)載。美國海軍陸戰(zhàn)隊的相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，4名陸戰(zhàn)隊士兵在2個小時內(nèi)就能完成X-FAB的架設(shè)工作。

產(chǎn)權(quán)保護(hù)

蘭德公司在報告中選出了當(dāng)今在3D打印技術(shù)領(lǐng)域最為領(lǐng)先的九個國家。無論是在專利總量還是在各類技術(shù)的發(fā)展水平上，美國和日本均處于領(lǐng)先地位，不分伯仲。不過，報告認(rèn)為，中國是3D技術(shù)領(lǐng)域的“后起之秀”，整體實(shí)力不容小覷。與從1980年代中期就開始發(fā)力的美國不同，中國的大部分技術(shù)成果都是在2005年之后逐漸取得突破的。

總體而言，目前中國在3D打印技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展存在“偏科”的問題。在冶金和特殊機(jī)床領(lǐng)域，研發(fā)力度和實(shí)力遠(yuǎn)超美、日等國。報告認(rèn)為，這兩項(xiàng)技術(shù)對發(fā)展航空、輕型材料、裝甲產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。然而，在表面涂層、視聽、半導(dǎo)體等一批相關(guān)專項(xiàng)技術(shù)方面，中國與全球技術(shù)水平頂尖的國家仍有不小的差距。

報告提出，美、日之所以在3D打印領(lǐng)域技術(shù)實(shí)力超群，與兩國政企的多年苦心經(jīng)營和協(xié)同合作密不可分。2014年，美國國防分析研究所曾針對全球近4000項(xiàng)增材制造專利進(jìn)行過一次調(diào)查，結(jié)果顯示，絕大多數(shù)研發(fā)成果都是由各國私營機(jī)構(gòu)獨(dú)立完成的，只有少部分獲得過政府相關(guān)機(jī)構(gòu)的資助。

但是，私營機(jī)構(gòu)對3D打印技術(shù)的熱衷并不能取代政府所扮演的角色。恰恰相反，由于該項(xiàng)技術(shù)在國計民生領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大，美、日等面臨本國制造業(yè)轉(zhuǎn)型壓力的大國政府在3D打印技術(shù)的早期研發(fā)階段投入巨大。美國國防分析研究所的調(diào)查數(shù)據(jù)也表明，在美國，私營機(jī)構(gòu)的專利總數(shù)雖多，但其中最重要的六項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)——光固化、粉體熔化成型、材料擠制成型、粘結(jié)劑噴射、薄片層疊和輪廓工藝，有兩項(xiàng)都直接受到美國國家科學(xué)基金會的資助。

蘭德公司的報告還提出，明確知識產(chǎn)權(quán)歸屬和設(shè)立生產(chǎn)許可門檻，應(yīng)成為各國政府發(fā)展3D打印技術(shù)過程中需特別注意的問題。沒有明確有力的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)舉措，將挫傷私營機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的積極性；不設(shè)立一定的生產(chǎn)許可門檻，軍品打印技術(shù)的普及將嚴(yán)重危害社會安全與秩序。

來源：財經(jīng)國家周刊
文/瞭望智庫助理研究員 云賀

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