長期以來,美國海軍一直十分重視增材制造(AM)和3D打印領域。
增材制造(AM)是指通過逐層沉積材料以創建對象。對海軍而言,為船上的每個系統都攜帶替換零件是不現實的,并且很難預測零件是否或何時會發生故障。增材制造提供了一個靈活的供應來源以制造零件,而無需通過訂購。特別是對于處于供應鏈遠端的軍艦來說,按需打印維修零件可以節省時間、降低成本,并降低攜帶大量零件庫存的需求。
雖然增材制造的服務范圍很廣(如快速制作原型),但在海上制造零件以快速修復東西的能力才是必殺技。基于增材制造,不必為每臺設備攜帶多個備件,也不必依靠漫長的供應鏈從供應源獲得急需的零件。
據悉,許多船舶都配備3D打印機,可以制造相對較小的塑料零件。
美國海軍海上系統司令部(NAVSEA)增材制造項目經理Jim Pluta表示:“幾年來一直在艦艇和潛艇上使用聚合物塑料打印機,但其本質上是臺式設備,只能制造相對較小的塑料零件。根據反饋,美國海軍需要制造更大金屬零件的設備。”
現今,美國海軍已經在軍艦和潛艇上安裝了兩種不同的金屬3D打印機,即西海岸的鋁制系統和東海岸的不銹鋼系統。
2022年7月,美國施樂(Xerox)公司向美國海軍成功交付一臺Elem Additive Solutions ElemX液態金屬3D打印機,用于黃蜂級兩棲攻擊艦埃塞克斯號(LHD 2),這是美國海軍艦艇安裝的第一臺金屬增材制造設備。ElemX打印機具備模塊化功能。
一臺3D打印機在黃蜂級兩棲攻擊艦埃塞克斯號(LHD 2)上進行診斷運行
在東海岸,美國海軍巴丹號(LHD 5)航空母艦成功安裝了一套菲利普斯(Phillips)混合增材制造系統,并計劃成為該艘軍艦的永久固定裝置。菲利普斯增材混合系統由約翰-霍普金斯應用物理實驗室支持設計和執行,該系統將Meltio3D激光金屬線沉積工具頭集成到Haas TM-1計算機數字控制(CNC)三軸銑床上。
雖然兩者都是金屬打印機,但ElemX打印機采用的增材制造工藝與菲利普斯混合增材制造系統有本質區別。前者用于制造鋁制零件,后者用于制造316不銹鋼零件。ElemX使用熔融金屬液滴沉積,而菲利普斯混合系統屬于線控激光系統,使用定向能量沉積(DED)工藝以創建幾乎完整的物體,然后作為混合系統使用數控銑頭來完成該零件。
雖然許多工業3D金屬打印機使用粉末狀材料,但這可能會有產生反應。因此在船上使用線裝系統(wire-fed systems)的安全性更高。
相關人員表示,使用3D打印機按需制造零件并不能取代供應系統。但是,3D打印機確實提供了一種修復零件或部件的方法,以使系統恢復運行。
據悉,巴丹島的部分海軍士兵已開始接受制造商的培訓,旨在操作該系統,并負責向其他人提供教學。
由于一些設有維修車間的海軍艦艇已經擁有Haas數控系統,因此該系統可以“升級”為混合動力增材制造系統。
負責NSWC Carderock部門增材制造團隊的Jonathan Hopkins表示,巴丹號的系統補充了海軍人員已經擁有的培訓和專業知識。“不銹鋼焊接對于大型船舶而言是至關重要的,而打印機的金屬絲原料與焊接設備相同。對于已經擁有Haas數控系統的船舶,可以在現有的CNS工具上增加Meltio系統和菲利普斯集成,以升級具有此功能的船舶。”