由于多种原因，3D打印的航空航天和军事用途长期以来一直是该行业的主要驱动力之一。当前，增材制造技术在美国等军工综合体的各个领域得到了更广泛的部署，这在很大程度上是因为此前新冠疫情和当下地区冲突使制造业成为关乎国家安全的问题，3D打印在确保军事所需关键零部件和保障供应链方面的潜力有目共睹。
因此，3D打印正被用作整个美国军事装备的供应链保障技术。与此同时，增材制造所带来的尖端能力正被用来以多种方式推动军事制造，包括在前线部署临时生产的能力。
Additive Manufacturing Research于近期发布的一份报告显示，美国国防2020年增材制造的总投资为1.422亿美元。到2027年，增材制造的总投资将大幅增长，突破10亿美元大关，达到11.57亿美元。这一趋势还将持续上升，预计到2032年投资将达到22.33亿美元。
多年来，美国着眼于持续增强制造业创新能力和竞争力，通过顶层设计、战略规划来引领增材制造产业发展；组建国家增材制造创新机构，发布《国防部增材制造路线图》《增材制造标准化路线图》《国防部增材制造战略》等，启动增材制造推进计划“AM Forward”，协调推动增材制造在国防装备、先进制造业中的示范应用并形成产业生态。3D打印技术参考注意到，美国军方至今已经对多种3D打印工艺进行了资助。本文内容，主要对这些被资助和采用的工艺种类进行总结。1. 电弧增材制造技术
今年2月，澳大利亚大型3D打印机制造商AML3D宣布获得一家重要客户的“X-Edition 6700”电弧增材制造（WAAM）金属3D打印系统订单，作为其进入美国市场战略的一部分。此次销售旨在支持美国海军实施WAAM技术，该技术在有效增加美国海军潜艇工业基地部件供应方面将发挥关键作用。购买人BlueForge联盟是美国国防部的中介机构，旨在加速美国国防工业基地内的先进制造技术。3D打印技术参考注意到， 今年7月，这家公司购买了AML3D的第二台同型号设备。
AML3D采用基于线材的电弧增材制造工艺，通过将金属线材连接到工业机械臂的焊接系统中进行3D打印，并专门为国防、海事、汽车等领域的客户提供商业大型“金属增材”制造服务。
AML3D基于电弧的大型金属3D打印机
电弧增材制造技术采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件，因以电弧为载能束，热输入高，成形速度快，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。面对特殊金属结构制造成本及可靠性要求，其结构件逐渐向大型化、整体化、智能化发展，因而该技术在大尺寸结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。与以激光为热源的增材制造技术相比，电弧对金属材质不敏感，可成形材料丰富，如对激光反射率高的铝合金、铜合金等。
AML3D已经展示了其为海事部门生产零件的技术能力，并获得了世界最大船级社DNV的批准。2020年，该公司向日本客户交付了一件3D打印的螺旋桨，同时还在为海事领域的领导者蒂森克虏伯以及威廉森3D打印叶轮。基于此，AML3D已经开始在海事制造领域站稳脚跟。
2. 升级版金属沉积技术
2023年7月，Meltio公司宣布获得美国国防部的技术认可。Meltio采用了独创的3E金属沉积技术，这是一种LMD金属沉积技术的升级版本，能够自动同时使用金属丝、金属粉末或同时使用这两种金属而无需更换喷嘴，该技术可成型常用的材料，如钛、钢、铜、铝、铬镍铁合金等。
用金属丝、粉末或通过将两种材料组合在同一零件中而无需更换喷嘴来制造零件，硬件的购置成本比当前市场价格低约50％至75％，并可以使用市场上任何可购买到的金属丝和粉末材料，成本降低多达10倍。从实验室研究到零件更换，Meltio可以打印从小零件到几米的大型零件，这使得该技术适应于军工、航空航天，汽车和大规模制造等各个行业。
该公司已经在全球安装了约110台机器，为其客户提供价格合理且易于使用的混合制造能力，并实现了工业原型和模具制作，小批量、大规模制造以及维护和维修等应用。2022年11月，来自Meltio3D的定向能量沉积增材制造装备，被永久安装在美海军黄蜂级舰艇中的第五艘USS Bataan多用途两栖攻击舰上。
3. 液态金属3D打印技术
2022年7月，施乐液态金属3D打印机被安装在美军黄蜂级两栖攻击舰第2号舰上——这是美国海军舰艇上部署的第一台金属增材制造装备。施乐液态金属3D打印解决方案通过将铝合金焊丝熔化，借助磁场精确的将液滴沉积在构建平台上并凝固，实现零件的叠层制造。其推出的3D打印机构建尺寸为300x300x300mm，最小层厚为0.24mm，铝合金零件的致密度超过99%。这是一种基于熔融金属磁流体动力喷射的打印方法，通过利用磁场感应的压力梯度喷射液态金属液滴。
向美国海军舰船安装3D打印机
液态金属打印中的温度梯度和冷却速率并不像基于激光和电子束的3D打印工艺中那样极端。除此之外，液态金属增材制造技术使用标准铝合金焊丝，与其他金属3D打印技术不同相比不需要金属粉末，也不需要特殊的设施改造或个人防护设备来操作机器。该工艺需要的后处理也较少，因此提供了更快的部件制造效率时间。这种按需生产可靠替换零件的能力减少了部署部队对复杂的全球供应链的依赖。
4. 桌面型碳纤维3D打印技术
碳纤维复合材料因具有优异的质量强度比而备受关注，采用3D打印技术将纤维增强材料通过连续或短切的形式与传统高分子塑料复合，可显著提高零件的强度、耐热性及抗冲击性。在航空航天、汽车和制造行业，3D打印的碳纤维部件正在迅速取代模压碳纤维和金属部件高性能原型和最终用途零件。
美国军方使用Markforged碳纤维3D打印机制造零件
2023年3月，Markforged X7 Field Edition被安装在在新罕布什尔号弗吉尼亚级潜艇上。此外，亨廷顿英格尔斯工业公司（HII）最近被批准用于海军海上系统（NAVSEA）船舶的3D打印零件。
Markforged X7 Field Edition
X7是该公司的工业级3D打印平台，采用连续碳纤维和凯夫拉增强材料。X7配备了强化的双喷嘴系统和一个微米级的激光检测系统，可以扫描打印中的零件来保障尺寸精度，具有330x270x200mm的构建体积和50μm的层厚设置。Markforged甚至推出了适用于X7的机器学习软件，其使用人工智能来帮助3D打印系统适应和调整变量，以期可以在第一时间生产出高精度的零件。
5. 大尺寸连续纤维复合材料3D打印技术
2021年，美国空军研究实验室（AFRL）与领先的3D打印供应商Continuous Composites公司合作，共同研究连续复合材料3D打印能否成功用于无人机机翼直接制造。
Continuous Composites公司能够将连续纤维增强材料与热固性树脂技术相结合，安装在机械臂末端的执行器用于将纤维材料与快速固化的聚合物树脂一同沉积。加入了纤维的树脂在紫外线下几乎立即固化，产生具有可定制强度特性的各向异性部件。该技术可处理多种纤维类型，包括碳纤维、玻璃纤维、光学纤维和金属纤维。
美空军展示低成本高效无人机XQ-58A Valkyrie
3D打印可以非常精确地定位和定向连续纤维。因此，可以将纤维放置在产品内部的选定方向和位置，使其沿着指定载荷路径提供所需强度和刚度，形成内部结构的组成部分。这意味着纤维被安置在需要其发挥作用的任何位置，多条纤维甚至可以在整个零部件中形成一系列传感器。与此同时，由于3D打印不再需要工具或模具，因此它提供了一步制造方法来生产任何形状的连续纤维增强复合材料，从而取代了更复杂、耗时且昂贵的传统多步制造技术。
双方的合作，旨在评估和完善连续复合材料先进航空结构制造技术，满足美国国防部具有挑战性的制造需求。
6. 粉末床激光熔融技术
粉末床激光熔融（L-PBF）工艺是当前应用最多的金属3D打印技术，无论航空航天还是军事，都备受关注。2022年9月，美国空军间接资助SLM Solutions开发“世界最大”PBF金属3D打印机，并授予蓝色激光专家NUBURU第二阶段合同，开发基于蓝色激光的区域金属3D打印技术。
目前，制造尺寸的增加是金属3D打印技术发展的重要发展方向，如今的L-PBF技术3D打印机的制造尺寸已经突破了米级。为满足美国国防部的要求，SLM Solutions在其NXG XII 600的基础上进行了升级，使制造尺寸达到600 x 600 x 1500mm，并配备12台激光器，号称具有“闪电般的速度和生产力”。而在去年11月，3D打印技术参考注意到，SLM Solutions宣布将推出可制造 3 x 1.2 x 1.2 米的超大尺寸粉末床激光熔融金属3D打印机，这可能是这项技术诞生以来所研发出的最大机器。
黄蜂级两栖攻击舰巴丹号机械修理车间修理工与美海军水面部队指挥官少将谈论该舰新安装的增材制造设备
效率是这项技术发展另一个备受关注的要点，区域金属3D打印就是解决该问题的突破性进展。美国空军显然注意到了蓝色激光与区域打印结合带来的可能性突破，故而及早布局新技术的开发。
7. 粘结剂喷射3D打印技术
2020年，从事粘结剂喷射3D打印技术开发的ExOne公司获得美国国防部的一份合同，以开发一个完全可操作的3D打印移动“工厂”。该工厂将被安置于约12米长的运输集装箱中，可通过陆、海、空直接部署在野外，支持战区、灾难救济或其他远程零件制造任务。
脱脂烧结炉也将集成于移动方舱内部
当时的ExOne首席执行官介绍，由于速度、材料的灵活性和易用性，粘结剂喷射3D打印是军事用途的关键制造技术。ExOne的3D打印机支持20多种金属、陶瓷或复合材料零件生产，能够直接制造最终产品或工具。在任务执行过程中，后勤人员不必再携带各类具体的零件备件，只需要携带相关的3D打印材料和零件的数字文件。如果一些较旧的零件缺乏数字文件，工作人员也可以在现场轻松地进行3D扫描或数字化设计，并根据需要进行3D打印。至于材料，在战时任务中，只需要一定强度的替代品，而无需寻求具体零件的原始制造材料。ExOne开发的特殊的军用3D打印机，将具有独特的机身样式和其他功能，使其成为强大的军事级产品。
8. 搅拌摩擦增材制造
搅拌摩擦增材制造是基于搅拌摩擦焊的原理发展而来，该工艺不需要高能热源也不需要气体保护，可以使用板材、旋转棒料和粉末规格的材料，利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料，再通过轴向的压力使得材料连接在一起。此外，由于成形过程中不存在金属的熔化/凝固过程，材料在成形过程中不会产生与熔化相关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。而正是由于成形温度低且成形发生在材料内部也不会受外界影响造成材料氧化等问题，生产过程可以在露天环境中进行，所制造的部件的尺寸显著增加。
该工艺适合制造铝合金大型构件，且具有很高的沉积速率。美国Meld Manufacturing公司已经使用该工艺在大型卡车和国防装甲车辆的维修中获得应用。
9. 建筑3D打印技术
2019年底，不到36小时，美国海军陆战队成员使用快干混凝土3D打印了一个足够大的掩体，可以隐藏车载多管火箭发射器系统。美国陆军工程兵团也不甘示弱，开发了一款可部署的3D打印机，可以快速创建抗弹片混凝土结构，如建筑物、小桥、掩体和门楼。
海军陆战队3D打印火箭发射舱
建筑3D打印技术是一种创新型房屋智能建造技术，集成计算机图形学、机械零件设计制作、装配工艺、自动化控制、精密数控、混凝土材料、流体力学等多学科交叉技术。这一技术优势在于具有高效率、免模板、省人力、节省材料、低碳环保等优点。
10. 冷喷涂3D打印技术
冷喷涂增材制造技术是一种基于高速粒子固态沉积的涂层制备方法。喷涂粒子在固态下碰撞基体，经过剧烈的塑性变形而沉积形成涂层，同时对基体不形成热影响，可作为近净成形技术直接喷涂制备块材和零部件。
2022年，澳大利亚金属3D打印机制造商SPEE3D被美国海军选中提供其“MAINTENEX”维护技术参与演习。作为该计划的一部分，SPEE3D的系统将在美国海军2022年ANTX海岸三叉戟技术演示期间部署在港口和海上。通过研发计划，美国武装部队部门旨在评估该金属3D打印技术的潜力，将其作为进行舰艇战斗损伤维修的一种手段，并减少对面临中断风险的传统供应链的依赖。
SPEE3D军事方舱
SPEE3D开发的机器能够生产尺寸达1000mmx700mm、重量达40kg的零件，其速度是传统金属3D打印机的100到1000倍。冷喷涂技术已经被证明能够满足军事需求，即在现场生产备件。澳大利亚陆军一直是SPEE3D系统在此类应用中最广泛的用户，一系列成功的3D打印试验知名该技术对于国防应用具有巨大潜力。3D打印技术参考注意到，2023年7月，美国空军授予了一家名为 Phase3D的公司一份价值125万美元的冷喷涂增材制造合同。
美国军方从不讳言对3D打印技术的重视。2023年3月，美国陆军新授予1亿美元用于地面部队3D打印和数字化改造；美国海军也将需要继续大幅加大增材制造技术的部署力度，以满足未来十年的生产期限。保证供应链安全和急迫需求，3D打印发挥出了巨大潜力，美国军方迫不及待的验证各种类型的3D打印技术，更有布局未来下一代技术的动作，这将进一步促进该国3D打印技术的落地应用，值得我们重视。
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