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美空军研究实验室推动增材制造技术发展——刘亚威

2019年12月,在美国防部举办的年度国防制造会议上,美空军研究实验室与国家增材制造创新机构签订了七年的新合作协议;其资助的“面向低成本持续保障的先进制造成熟”计划,以及其参与的“高性能低波动增材制造零件的鉴定框架”项目双双获得国防制造技术成就奖。作为美国国防科研的重要力量,空军研究实验室一直致力于推动增材制造这一颠覆性技术的发展,一方面直接出资支持国家级研究机构,并且设立专项计划鼓励创新;一方面网罗顶尖科研人员亲自参与研发,为未来军用航空装备的突破贡献力量。持续资助国家增材制造创新机构,全面支撑增材制造研发2012年8月,国家增材制造创新机构(又称“美国造”)由美国防部牵头建立。该机构由国防制造与加工中心领导,旨在集合全美的学术界、工业界、政府机构和非盈利组织的力量,建立区域创新生态系统,促进增材制造领域的技术创新和应用研究,夯实增材制造工业基础,确保美国在该领域的全球领先地位。“美国造”机构由空军研究实验室(AFRL)代表政府通过国防部制造技术计划提供联邦资金并实施监管。“美国造”机构成立以来,空军研究实验室已经与其签订了两轮公私合作协议,总金额超过3亿美元,有力支撑了这一美国国家制造创新网络中首个公私合作制造创新机构的高效运转。

双方合作紧密

7年多来,“美国造”机构在面向增材制造的设计、增材制造工艺优化、增材制造材料性能、增材制造价值链推进、增材制造材料基因组这五个技术领域,面向国防安全和经济发展需求设立了近百个项目,其中大量需求直接来自美空军研究实验室。波音、洛马、诺格、雷神、通用电气、联合技术公司等国防制造商参与了大部分项目,同时还支持了众多成果共享的开源项目,能够直接将成果转化到武器装备研发和生产中。2016年,“美国造”机构帮助国防部制定了符合美国未来军事需求的增材制造技术路线图,面向维修与保障、部署与远征、新部件系统的采办这三类应用范围,识别了提升增材制造技术制造成熟度的活动,为国防部实施合作与协调投资提供了基础和框架。2019年双方签订的第三轮政府拨款与成本分摊协议总金额高达3.22亿美元,将继续支持美国防部研究与工程署现代化优先领域中,高超声速、网络(赛博)和人工智能/机器学习等领域对增材制造相关技术的需求。

美国防部增材制造路线图封面(美国防部图片)

开展专项研究计划和挑战赛,提升增材制造军事应用水平

1长期支持金属经济可承受性计划,聚焦领域转向高超和发动机增材制造金属经济可承受性计划是美空军研究实验室在1999年启动的,成员包括波音、洛马等7家国防制造商以及美国主要的军用金属材料和零部件生产商,主要目标是大幅降低高性能金属材料的成本,显著改善金属零部件性能,其中金属增材制造是其重要方向之一。该计划设立20年来,累积获得投资超过2.5亿美元,有力推动了经济可承受、革命性的金属材料和工艺技术的发展,为军用航空装备的性能提升和维修保障成本降低做出了巨大贡献。近年来,美空军研究实验室开始面向未来装备的极端条件需求调整该计划,比如高温环境下运行的复杂外形结构方面,其中一个重点就是高超声速飞行器和下一代航空发动机零部件的增材制造。通过对先进增材制造技术和最佳实践的持续研究,该计划将成员们的知识和经验凝聚到一起,更好地应用到空军当前和未来装备,并且惠及美国金属工业。

金属经济可承受计划成员

2设立面向低成本持续保障的先进制造成熟计划,提升空军战备完好性

当前美空军航空器的平均寿命超过28年,由于过时淘汰、制造成本高和数量要求低等原因,老旧飞行器的关键零件经常会停产,仅在2017年一季度,空军就有1份关键零件的生产招标因此而流标。2015年,美空军研究实验室与“美国造”机构联合启动了面向低成本持续保障的先进制造成熟度提升计划,旨在通过增材制造技术,按需更换不经济的损坏或过时零件,快速开发持续保障中心使用的辅助工具,实现老旧航空器的持续、低成本维护和保障。该计划分为三阶段开展,资金超过2700万美元,支持了36个可快速应用的研究方向,开发了通过零件族完成快速鉴定的方法,并且将36个方向中接近成熟的快速转化到实际应用中。

面向低成本持续保障的先进制造成熟计划LOGO

该计划近来取得了众多成果。比如,2019年6月,代顿研究院大学通过该计划与犹他州希尔空军基地的奥格登航空后勤基地等合作,通过逆向工程、数字建模和增材制造等先进技术,将一副因射满弹孔而被拆卸的F-16尾翼复原并重新安装。该项目在缺乏所需工装和技术数据的情况下,提供了一种新的维修解决方案,最大限度地减少了对复杂工装的需求,使得这副至少价值60万美元的机翼得以重新利用,实现了可观的投资回报率和战备完好性目标。另一个案例是在2019年11月,代顿研究院大学通过该计划与通用电气等合作,开发了一种增材制造的燃油冷却器,并且启用了这种新型热交换器的测试设施,以便空军评估其制造和性能特性,这不仅将有助于老旧航空器继续翱翔,还展示了美空军研究实验室在实现经济性的同时让美空军在全球竞争中保持领先的承诺。虽然该计划仍在实施,但现有成果就已显著提升了美空军的战备完好性,这为该计划获得2019年度国防制造技术成就奖提供了充分理由。

增材制造高温树脂基复合材料燃油冷却器

3启动增材制造建模挑战赛,利用数字工程大幅提高增材制造开发能力

2019年11月,美空军研究实验室通过“美国造”机构启动了增材制造建模挑战赛,旨在以这种形式激励工业界和学术界的顶尖人才参与创新,解决确认/提高金属增材制造模型预测准确性的难题。挑战赛分为四个方向,分别是宏观尺度工艺-结构预测、微观尺度工艺-结构预测、宏观尺度结构-特性预测、微观尺度结构-特性预测。通过挑战赛,美空军研究实验室将创建高血缘关系的模型校准数据集,支撑对增材制造金属零件微观和宏观结构层面特性的精确预测,从而能够智能地解决INCONEL 625镍铬合金等材料的各向异性问题,促进增材制造材料和工艺的鉴定。挑战赛还将促进“美国造”机构增材制造基因组方向的研究,从而加速改变增材制造材料开发的范式。

INCONEL 625合金材料微观变形研究

三、面向未来军用航空装备,大力促进复合材料增材制造创新除了出资和监管“美国造”,美空军研究实验室本身也一直站在增材制造技术研发的最前沿,研发对象从高温陶瓷一直跨越到柔性电子器件。不过,面向未来高性能飞行器和低成本无人机等新需求,复合材料的增材制造成为了美空军研究实验室目前关注的焦点,包括连续纤维3D打印、三明治结构、高温结构以及大尺寸工装的增材制造、增材制造零件鉴定等,并且近两年都取得了重要成果。比如,2019年3月,全球复合材料领域顶级展会JEC组委会将年度增材制造创新大奖授予美空军研究实验室、洛马和连续复材公司团队,以表彰其在连续纤维3D打印技术开发方面的创新成果。该技术可快速输送、沉积连续纤维增强体以及基体树脂并原位浸渍、固化,与传统工艺相比生产速度可提高100倍,纤维体积含量可达到50%~60%。团队利用该技术快速研制了一个由多种材料3D打印的无人机机翼剖面,一次就集成了由碳纤维、光纤、铜线和镍铬铁线组成的整体结构。2019年6月,美空军研究实验室科研人员与布鲁克海文国家实验室合作,首次利用国家同步辐射光源的X光射线,以每秒高达9000张图像的速度收集数据,分析打印树脂液滴的结构和动力学,以深度优化连续纤维3D打印工艺。

连续纤维3D打印的无人机机翼剖面此外,2019年3月美空军研究实验室与若干大学合作开发了轻量化的增材制造三明治结构,可以只在需要承受更大力的地方沉积更多材料,同时还可更容易地植入金属配件和电气组件,从而为下一代无人机提供具有嵌入式感知、致动、计算或电力的多功能结构并简化装配。同月美空军研究实验室还和美国航空航天局格伦研究中心等合作,通过激光增材制造开发了迄今能耐最高温度的树脂基复材零件,可以承受超过300摄氏度的温度,有望用于发动机零件或尾喷口附近高温区域。2019年9月,美空军研究实验室、波音公司和热木公司团队面向低成本可消耗飞行器技术计划的需求,使用大尺寸增材制造工艺生产了一个XQ-58A无人机机身热压罐工装验证件,显示了可以在数天而不是数月就开发出复杂工装、大幅降低其采购周期和成本的潜力。2019年12月获得国防制造技术成就奖的“高性能低波动增材制造零件的鉴定框架”项目由美空军研究实验室与威奇托州立大学国家航空研究所、联邦航空局等合作,生成了首个聚合物增材制造数据库和鉴定框架,并且通过“美国造”机构推广到200多个组织,从而帮助他们设计和生产高质量的航空零件,比如C-17运输机的航电设备冷却管。

XQ-58A无人机机身验证工装四、结束语我国从国家层面并没有美空军研究实验室这种性质的军方/政府科研机构,面向未来我国增材制造产业健康发展,从本文所论述内容的角度,提出几点初步建议如下。一是由军方和政府相关部门牵头,在国家增材制造创新中心框架内,集合全国相关企业、大学和科研院所的力量,面向产业发展和国防应用,制定出台增材制造技术路线图并定期更新,引导业界不断突破创新并夯实产业基础。二是相关政府部门牵头,按照技术/制造成熟度阶段明确增材制造创新界面,强化不同阶段创新实体间的知识产权管理,梳理并优化我国增材制造创新链结构,进一步鼓励基础研究和竞争前技术联合研发。三是军方用户牵头,面向未来作战模式和武器装备需求,设立有长期资金支持、可快速启动项目的专项攻关计划或创新挑战赛,特别是针对航空装备,加强复合材料增材制造领域的研究部署。

本篇供稿:系统工程研究所

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