增材制造与国防产品过时管理

据兰德公司网站2015年10月12日报道，为帮助美国的政策制定者了解增材制造对于国防过时管理的意义，兰德公司欧洲分部正在收集和整合制造业及国防产业研究人员的相关意见。

过时管理的挑战性

过时的概念及其与国防的相关性

过时是指曾经可用的原料、部件、程序、技能及/或软件的不可用性，可能发生在设备全寿期的不同阶段，尤其会影响到那些需要使用数十年的部件。部件的过时在国防及航天领域较为常见，这些领域的设备采办需要较长的超前时间量，需要在数十年的服役期内得到支持。某些设备70%～80%的电子元件在系统投入部署前就已过时。虽然过时问题常常与电子元件有关，但机械部件、原料、软件、媒体支持，以及加工、试验设备、文件和技能也存在过时问题。这些领域之间存在很多相互依存关系，因此，应对相关过时问题进行整体管理，而不是分领域单独管理。

过时成本

根据负责欧洲战斗机项目的英国主要承包商处的数据，过时是该项目的第二大风险，且成本高昂。譬如，从未服役的“猎迷”MRA4海上侦察机（BAE系统公司研制）全寿命周期的总成本估计为7.8亿英镑（约11.4亿美元）。美国海军估计其每年与过时相关的成本约为7.5亿美元。从军事角度看，过时管理的实际成本在于：对于一个预算经费有限、竞争需求众多且需要开支平衡的项目而言，过时管理开支过大会降低安全部署军事设备的能力。

管理过时

在英国，一部防务系统的生命周期分为6个阶段：概念、评估、验证、制造、服役和废弃处理（CADMID周期）。过时问题可能出现在该生命周期的任一阶段，因此需要从项目初期就予以考虑。过时管理主要有2种方案，一是主动缓解（Mitigation）式方案，寻求将过时问题的影响或出现可能性降到最小程度，主要在供给链、设计及规划环节采取措施；二是被动解决式（Resolution）方案，寻求在过时问题出现时采取措施加以应对，具体方案包括同部件更换，规格、装配关系及功能（FFF）置换、仿真或重新设计。有效的过时管理不仅要建立在缓解或解决过时问题的能力上，也要建立在利用过时数据、后勤数据、技术预测、行业趋势（需求预测）实施战略管理以促成战略规划、生命周期优化及长期业务发展的能力上。

防务系统中商用现成品的过时

包括美国在内的世界各国政府日益推进商用现成品在防务系统中的使用。商用现成品的生命周期通常为5年或少于5年，而一部防务系统的生命周期则通常超过20年。这意味着，如果按照传统防务方案进行商用现成品全寿期管理，过时可能成为一个重大问题。因此，需对商业现成品采取不同的全寿期支持战略，包括根据其生命周期进行更频繁的设备更换。

创新性过时管理方案

增材制造可以应用到过时管理方案的各个环节。譬如，在实施供给链环节的缓解式过时管理方案时，制造商、供应商及设备用户可能会签署合作协议，确保使用增材制造技术制造出的是符合需求的部件。零部件的设计方案、规格、材料信息可以以数字形式保存，以利于未来几年利用增材制造技术进行再生产。不过，利用增材制造技术再生产符合需求的零部件也存在一定局限性：目前尚不清楚是否所有零部件，尤其是电子元器件，均能利用该技术进行再生产。国防领域将增材制造技术应用于过时管理的例子可参见美国海军“逆向工程：科技过时、维修与评估”（RESTORE）实验室。该实验室使用3D扫描仪对一个部件进行扫描，并将扫描图像发送至一个“计算机辅助设计”（CAD）程序，然后制造出一个现代化的替代部件，支持旧有系统的延寿计划。国际标准化组织已经制定了支持增材制造的相关标准，其中包括数据文件标准。使用这些标准存储零部件相关数据可以为未来使用增材技术支持过时管理打下基础。

美国防部及军队关于增材制造技术用于过时管理的研究

利用增材制造技术进行飞机维修

美国北卡罗来纳州切里波因特海军陆战队航空基地的“东部舰队战备中心”（FRCE）有很多年代较久的飞机，比如AV-8B“鹞”式垂直起降攻击机。这些飞机的某些零部件由于原始设备制造商（OEM）已不再生产或原始设备制造商本身已不复存在等原因，而面临过时问题。美国海军航空系统司令部的科研人员利用增材制造技术解决了这一过时问题。他们或者通过3D扫描技术对旧有零部件进行逆向工程处理得出固态CAD模型，或者根据图纸设计出3D固态模型；然后使用熔积成型（FDM）法生成正确的尺寸和形状工具，制造出所需零部件。相关维修与维护工作完全在室内进行。美军多个“舰队战备中心”已成功利用这种室内增材制造能力，为AV-8B“鹞”式攻击机、P-3“猎户座”巡逻机、F/A-18A/D“大黄蜂”战斗机以及其他老旧飞机系统实现了维修和零部件更换，其中某些维修工作仅用几天时间就已完成，而使用传统方法则需耗时3周甚至更长时间。

利用增材制造技术制备金属部件及相关合格性鉴定

美国防部在利用熔积成型（FDM）、立体光固化成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）设备进行增材制造的同时，也将大量注意力放在常用金属材料的增材制造上。美陆军装备研究发展与工程中心（ARDEC）一直在研究增材制造金属合金的合格性鉴定及相关制备程序。为实现合格制成品所需可靠性，需要更好地了解设备的性能以及设备参数对制成品的影响。ARDEC的工程师们重点研究了直接金属激光烧结（DMLS）制备程序、设备参数的设定，以及利用DMLS法制造4340高强度低合金钢（HSLA）的合格性鉴定。该团队所建立的材料和设备合格性鉴定方法将用于新DMLS及增材制造金属系统的合格性鉴定，也将用于DMLS程序和金属增材制造程序其他材料的合格性鉴定。

利用增材制造技术应对零部件过时挑战的可行性

时间方面的考虑

增材制造技术能使“计算机辅助设计”（CAD）文件快速转化成实际产品；也可以提供更大的设计灵活性，具有更强的定制能力；鉴于增材制造的制造过程可以地方化，其产品从制造到投入市场的总时间可以大幅缩短。

成本方面的考虑

与其他方案相比，增材制造方案除具有时间优势之外，也需具有成本竞争力。评估过时成本的一个重要难题是如何制定精确的成本指标。成本指标的确定有助于最具效费比解决方案的选择以及成本规避分析评估。根据相关成本指标，要想加强增材制造方案的实施，可以在更广泛范围内将增材制造作为一种“仿真”和“等效”技术，以此规避微幅和大幅度重新设计带来的挑战，从而实现成本节约。

增材制造在过时管理中的潜在作用

增材制造程序相对稳定，其成本大体上可预测，因此能降低过时解决方案的不确定性。利用增材制造技术可以应对多种类型的过时问题，如机械部件、工具、试验设备的过时等，应对电子元件过时问题则有待于增材制造能力的进一步发展。利用增材制造技术实现设备支持，推动了考虑不同类型合同结构的需要，也推动了考虑如何将这些合同转化为更好产品生命周期管理的需要。甚至，增材制造技术提供了支持性方案的更多选项。移动的增材制造设施也能提供交付支持性合同的机会。总之，增材制造技术为解决各种过时问题提供了大量机会，而相关技术还在继续发展。

主要发现

一是过时管理是国防领域一个重要挑战，过时管理的成本甚至在设备服役前就可能增加。

二是增材制造可以用于国防过时管理。

三是增材制造有助于与机械部件相关的过时管理，但目前尚不清楚其对其他类型过时管理的影响程度。

四是为使增材制造技术更好应用于国防过时管理，相关研究应重点关注能制造更大范围零部件的增材制造技术、增材制造产品的合格性鉴定，并确保增材制造相关标准纳入过时管理计划的制定。