美军造舰效率低 3D打印成“救兵”

发表时间：2023-09-22 19:06:58 来源：产品介绍

美国纽波特纽斯造船厂拥有美国唯一的核动力航母生产线。图片来自美国海军

位于弗吉尼亚州的纽波特纽斯造船厂是美国最重要的舰艇制造基地之一。2022年3月，船厂的工程团队意识到，一个至关重要的节点正步步逼近。为了建造“企业”号核动力航母，船厂需要将一块数百吨重的龙骨移动到船坞内。在此之前，所有巨型零部件需要事先安置到码头的总装平台上，装好管道和电缆，再像搭积木那样拼接成完整的舰体。

这项工作强调“按部就班”，哪怕一个部件不能及时到位，都可能会导致工期延误。早在2021年年底，“企业”号项目副总裁布莱恩·菲尔兹就意识到，一个“关键且敏感”的零件可能没办法按期交付；如果等舰体合拢再安装它，则会带来风险，并且对成本产生不利影响。

过去3年，疫情和劳动力短缺令美国军用造船业频频亮起红灯，“企业”号遭遇的麻烦并不出人意料。这次，军方和造船厂不打算在“进度延迟”和“费用上涨”之间二选一，而是动用了3D打印技术，终于赶在2022年3月之前设计、鉴定并完成了那个关键零件。

美国“防务新闻”网站日前刊发报道说，美军希望提高造舰速度，供应商的数量却不断减少。以“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇为例， “对工业产能的担忧”被视为美国政府拒绝将该型潜艇的采购速度从每年两艘提高到3艘的首要原因。

因此，美国海军希望尽快将3D打印纳入舰艇建造的标准流程。代表军方监督潜艇项目的办公室主任马特·瑟蒙表示，启用3D打印技术并非为了“尝鲜”，而是必须这样做，“这是确保按时建造和维修舰艇的必经之路”。今年1月的一次会议上，他透露，包括铸件、锻件、阀门和紧固件在内的金属零件供不应求，大概有5500种零件直接影响工期，其中有6种材料造成了70%的延误。

如果使用传统工艺，这些零件出现瑕疵的几率更高。相比之下，3D打印或者说增材制造技术，可以更快、更可靠地将零件送到工厂。瑟蒙透露，美国海军已经制定计划，要求在今年年底前推动与上述6种材料相关的3D打印工艺走向成熟，到明年3月可以批量生产这些材料。

美国海军海上系统司令部负责人比尔·加里尼斯告诉“防务新闻”，“眼下……我们大家可以制造一次性部件，还可以制造核反应堆的部件，但依然没有越过批量生产的门槛。”随着美国海军新一代战略核潜艇“哥伦比亚”级开工建造，造船企业面临的压力将继续增长。加里尼斯说，增材制造作为铸造和锻造技术的替代方案，有助于确保“哥伦比亚”级项目如期推进，并促使“弗吉尼亚”级重回正轨。

在造船厂工作多年的布莱恩·菲尔兹赞同军方领导人的意见。他说，以往，按时并高质量地交付铸造零件对造船厂来说是非常大的挑战。根本原因在于，铸造零件不时会出现隐蔽的缺陷，只可以通过焊接事后修补，最糟的情况是整个零件报废。

如果改用3D打印，质量和成本都会更合理。以JP-5收集管为例，该零件用于输送航空燃料。菲尔兹说：“我手头有28个这种零件，都是铸造的。然而，每次你对它们进行水压测试，都会四处渗漏，因为铸造件很难一次调整好。为了把它们安装到航母上，我们耗费了大量时间和金钱……这让我更加期待3D打印带来的变化。”

理想状态下，3D打印可以将某些金属零件的生产时间平均缩短80%。2017年，纽波特纽斯造船厂的母公司亨廷顿-英格尔斯工业集团与专攻增材制造的美国3D系统公司签署协议，以便在航母和潜艇的建造和维修中应用后者的创新技术。

就技术创新而言，传统造船厂存在短板。美国海军认为，引入新技术的同时须保证舰艇建造质量。瑟蒙表示，学术界斥巨资研究某些金属的增材制造工艺，针对舰艇上的特种材料，尤其是铜镍合金和一些钢合金，深入研究它们与3D打印技术结合后的物理化学特性，特别是抵抗金属疲劳和海水腐蚀的性能。

最初阶段，军方和供应商准备用3D打印制造一些不接触海水的零件，在降低风险的同时获取经验。菲尔兹强调，潜艇上的零件技术指标更高，必须格外谨慎；如果美国海军希望快速更新舰队，就一定要在3D打印领域寻求出路。