美國海軍陸戰(zhàn)隊遠(yuǎn)征后勤保障：增材制造技術(shù)

來源：藍(lán)德信息
作者：李雷

導(dǎo)讀：增材制造技術(shù)具備獨有的快速機(jī)動、持續(xù)保障和低成本等優(yōu)勢，被美國國防部視為未來戰(zhàn)場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)隊在戰(zhàn)場上迅速獲得備用零件，從而減輕遠(yuǎn)征部隊的后勤負(fù)擔(dān)。

遠(yuǎn)征移動制造實驗室
以美軍近年來流行的“實戰(zhàn)化練兵”為例，高溫高寒等極端氣候下，武器裝備性能會變得不穩(wěn)定，裝備受損的情況時有發(fā)生，經(jīng)常面臨“帶來的用不上，用得上的沒有帶，后方籌措又太慢”等窘?jīng)r，基于提高后勤保障能力的考量，美國海軍陸戰(zhàn)隊裝備和后勤部決定有針對性研發(fā)一種裝備，能在戰(zhàn)時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處于開發(fā)階段已有大約五年了，旨在為海軍陸戰(zhàn)隊提供一種創(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，這種獨特的能力完全可用于前沿部署。X-FAB是一個獨立的、可運(yùn)輸?shù)脑霾闹圃鞂嶒炇�，可以與營級海軍后勤維護(hù)單位一起部署。這個20×20英尺的庇護(hù)所可折疊，便于運(yùn)輸，并裝有五臺3D打印機(jī)、一臺激光掃描儀、一臺激光切割機(jī)和一個計算機(jī)設(shè)計軟件系統(tǒng)，使海軍陸戰(zhàn)隊能夠在遠(yuǎn)征環(huán)境中制造替換和維修零件。

△美海軍陸戰(zhàn)隊X-FAB實驗室

每個X-FAB實驗室都配備了兩臺Lulzbot TAZ Workhorse 3D打印機(jī)、兩臺Markforged X7 3D打印機(jī)、一臺3D Platform 3000系列打印機(jī)、一臺Epilog Fusion Pro 32激光切割機(jī)和一臺Quantum FAROArm S 3D激光掃描儀。XFAB還標(biāo)配了三臺筆記本電腦、兩臺工作站和一個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)隊員花費2-3個小時就可以搭建好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)隊作戰(zhàn)時一旦有了X-FAB，就有了基本的應(yīng)急能力，無須再像以前一樣等待至少1星期的時間從大后方運(yùn)送零件過來，機(jī)械師在1天之內(nèi)就能搞定。不過，3D打印移動加工實驗室從名稱就能看出來，它并沒有替代工廠車間的能力，尤其是在加工堅硬的金屬部件時，沒有車床、銑床根本想都別想。

2018年7月至9月，美海軍陸戰(zhàn)隊系統(tǒng)指揮部、裝備和后勤部在美北卡羅來納州Lejeune營，對X-FAB的初代原型進(jìn)行了現(xiàn)場評估。期間，海軍陸戰(zhàn)隊員測試增材打印技術(shù)，然后收集機(jī)械師和官員對掩體尺寸、布局、軟件、打印材料和成品的意見，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)隊遠(yuǎn)征部隊時，X-FAB將通過消除運(yùn)輸大量備件的需求來減少維護(hù)營的后勤足跡。

近期案例：戰(zhàn)車顯示器支架

在海軍陸戰(zhàn)隊最近一次在阿富汗的部署中，他們的一輛戰(zhàn)車出了問題。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法解決這個問題。如果沒有屏幕，車輛的武器系統(tǒng)就無法操作，這嚴(yán)重降低了該部隊在遭遇塔利班伏擊時的作戰(zhàn)效率。

△艾布拉姆斯戰(zhàn)車內(nèi)部

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

隨后Cosine公司向陸戰(zhàn)隊提供了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。

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

例如，海軍陸戰(zhàn)隊采用增材制造技術(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就和美國能源部下屬的橡樹嶺國家實驗室(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)的開發(fā)。Cosine已經(jīng)展示了其在30小時內(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在八小時內(nèi)生產(chǎn)一個尺寸超過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)隊第11遠(yuǎn)征部隊部署了戰(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)備的典型庫存。

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

海軍團(tuán)隊使用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，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，以制造每個部件。增材制造和TACFAB背后的想法是讓部隊單位自己制造這些項目，并以比通過傳統(tǒng)的和更長的供應(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)隊遠(yuǎn)征部隊(MEU)第11戰(zhàn)斗后勤營的通信維護(hù)主管在圣安東尼奧級兩棲運(yùn)輸船塢運(yùn)輸艦?zāi)�撒�?LPD 26)上進(jìn)行3D打印

例如，當(dāng)遠(yuǎn)征部隊一個狙擊排需要一堆帽子來保護(hù)他們高價高精度步槍的瞄準(zhǔn)鏡時，后勤就開始使用便攜式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。后勤隊花了幾個小時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)隊遠(yuǎn)征部隊狙擊小組使用的步槍。由于部隊部署在海外，制作鏡帽所花的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于從加州彭德爾頓營地的大本營或通過海軍陸戰(zhàn)隊的供應(yīng)鏈獲得替換帽子所需的時間。雖然帽子不是高價物品，但它們對狙擊手的作戰(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TACFAB，設(shè)計團(tuán)隊為遠(yuǎn)征海軍陸戰(zhàn)隊制造了許多小而關(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、小型激光探測器的安裝支架、旋轉(zhuǎn)光纖保持環(huán)、PRC-153無線電的側(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)鏡的蜂窩過濾器。后勤隊甚至制作了采購不到的小夾子和一個S形支架，用來固定鏡子。

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

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�！澳�撒號”(LPD 26)上的一名海軍陸戰(zhàn)隊員僅用了9分鐘就在電源連接器絕緣體組件中創(chuàng)建了一個微小的鎖定機(jī)制，以修復(fù)VRC-110 Sim J27多波段無線電。這個小墊片確保電線不會接觸到收音機(jī)以致使其無法使用。從美國獲得替換該零件可能需要“數(shù)周甚至更長時間”，而從原材料中“花費7美分”就可以節(jié)省2122.93美元。

打印機(jī)能夠節(jié)省大量時間，避免出現(xiàn)因一個零件影響一場戰(zhàn)斗或演習(xí)的事故。3D打印能力在整個部署過程中支持了海軍陸戰(zhàn)隊遠(yuǎn)征部隊/兩棲戒備大隊進(jìn)行的分布式作戰(zhàn)。根據(jù)遠(yuǎn)征部隊的概要，默撒號兩棲艦上的后勤團(tuán)隊創(chuàng)造了大約30個項目，總花費僅為4851美元，產(chǎn)生令人難以置信的成本效益。

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

TACFAB印刷受到尺寸的限制。它不會被用于制造承受高應(yīng)力或需要特定軍事規(guī)格的部件。但后勤隊與“拳師號”兩棲艦上的機(jī)械和制造車間的水手合作，創(chuàng)建一些組件或為TACFAB無法完成的金屬部件制造模具，“拳師號”擁有車床和3D功能來支持兩棲部隊。隨著越來越多的設(shè)計團(tuán)隊在使用和設(shè)計要構(gòu)建的項目方面進(jìn)行了試驗并獲得更多經(jīng)驗，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)知識來計算聚合物的拉伸強(qiáng)度，以確保耐用性。

海軍陸戰(zhàn)隊第26遠(yuǎn)征軍是第一個部署3D打印能力的海上單位。該團(tuán)隊創(chuàng)造的項目包括：用于作戰(zhàn)計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緩沖器。

存在的問題
目前該實驗室面臨的主要技術(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)計的溫控空間內(nèi)使用，因為3D打印機(jī)對溫度、濕度、沖擊、振動和電力穩(wěn)定非常敏感(車載電源會有電壓波動，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)隊遠(yuǎn)征部隊已經(jīng)宣布，到2024年將部署21個增材制造遠(yuǎn)征實驗室，用于作戰(zhàn)受損裝備的修復(fù)。通過采用增材制造技術(shù)，海軍陸戰(zhàn)隊提高了戰(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