美国空军：三维打印之王

美国空军目前是 3D 打印领域最大的资助机构之一。空军在 3D 打印领域所做的工作量简直令人难以置信。3D 打印行业从根本上受到美国空军需求的影响。在本文中，我们将介绍空军在 3D 打印领域所做的工作以及这样做的原因。空军似乎感兴趣的领域可以分为几个关键领域：更好的 3D 打印和加工、电子 3D 打印以及维护、维修和大修 (MRO)。

隶属于空军特种作战司令部的 CV-22 鱼鹰。图片由美国空军/高级飞行员米兰达·马奥尼提供。

更好的 3D 打印和加工

AFRL 和空军似乎致力于优化 3D 打印，资助大量研究以实现 AM 工业化并降低成本。如以下示例所示，他们的努力重点是改进流程以扩大航空航天零件的生产。

• 增材制造建模挑战赛： 2019 年 11 月，AFRL 组织了这项挑战赛，以评估社区预测 LPBF 部件性能的能力。这场竞争激烈的挑战赛最终由达索系统政府解决方案公司和几所顶尖大学赢得。
• 其他挑战： AFRL 进行了多项挑战，包括扫描挑战和其他专注于 3D 打印各个方面的挑战。
• 合作伙伴关系： IperionX和QuesTek均赢得了 AFRL 挑战，并且与 NASA 的合作展示了高温复合材料的创新解决方案。
• 技术改造： AFRL 向 CTC 提供资金，以使 SLM Solutions 机器适应其特定需求。
• 先进研究： 利用 X 射线检查零件特性，研究更好的熔池动力学，并与 Barnes Group 等机构合作推进 3D 打印技术。聚合物和金属粉末床的先进工艺控制也获得了多项合同。
• 重大投资：投资包括125 万美元用于现场建模、870 万美元用于 Relativity Space，以及参与1200 万美元的America Makes 项目。

3D 打印电子产品

通过 3D 打印，这些设备可以实现保形，更容易集成到现有的腔体或工艺中。3D 打印电子产品可能看起来只是 3D 打印潜力的一小部分，但飞机上有数百公里的机载线路。线束是飞机和 UAS 上重要的重量元素。

对于无人机来说，机内没有飞行员意味着工程师无需在机内爬来爬去进行维护。您可以简单地将无人机拆开并进行维修，或者可以立即更换整个组件。借助数字布线和显著减少线束，飞机可以减轻重量并从根本上改变其外形尺寸。

• 可拉伸表面：2017 年，AFRL 与 American Semiconductor 合作制造柔性微控制器。在同一领域，他们创造了一种 3D 打印的更高效的机翼，其表皮可拉伸，可在不使表面变形的情况下移动。在另一个可拉伸项目中，他们与哈佛大学的 Wyss 研究所合作开发了一种柔性 3D 打印技术，该技术使用导电油墨和银熔 TPU。在该项目中，他们 3D 打印了 LED 灯，并将微控制器放置在打印结构中。在另一个规模大得多的项目中，他们花费了 1.54 亿美元用于柔性 3D 打印电子产品。这些都是空军迈向更柔软的机器人和更灵活世界的一小步。他们制造的设备越保形，他们的设计自由度就越大。用柔性材料替换飞机内部的执行器和其他电机也很诱人。
• 电力：电力是另一个需要优化的元素。空中客车和其他公司正在研究电动飞机，因此学习 3D 打印更便宜的太阳能电池是有意义的。

维护、维修及运行 (MRO)

MRO 通常是军方关注的重点。对于空军来说，维护和更换零件是一项重大的成本和劳动力问题。零件必须提前制造并储存在世界各地，数十年来会占用数十亿美元的资金。此外，某个关键零件可能无法在特定飞机需要的地方使用。通过 3D 打印进行数字库存和 MRO 可以节省大量资金，并使空军能够更高效、更快速地维持自身运转。

• 停产：AFRL 与 America Makes、代顿大学研究所和 YSU 合作，举办了一个由 25 家公司参与、耗资 800 万美元的MRO 项目，用于处理旧飞机的停产和难以获取的零部件。
• 材料挤压：第 910 维修组获得7.2 万美元，用于购买 AON3D 高温材料挤压系统，而另一个项目向 Juggerbot 提供了 400 万美元，用于将中型材料挤压与直接写入相结合。材料挤压提供低成本组件，可以在当地制造。空军显然对这项技术很感兴趣，但需要更高性能的聚合物，这些聚合物可以耐热且光滑。这些项目展示了他们为解决这些问题而做出的努力。
• 发动机：空军不仅对简单的部件感兴趣；他们还测试了发动机部件并研究了3D 打印的 MRO 飞机发动机部件。
• DED：虽然大多数工作都集中在粉末床和材料挤出方面，但人们对 DED 的兴趣日益浓厚。他们已经为 3D 打印认证了DED 组件，这表明该领域正在开展更多工作。

安东尼·布朗中士使用软件在数字牙齿模型上以数字方式设计夜间护齿器。（空军一等兵麦肯西·库珀/空军）

其他

在另一个类别中，我们可以找到大量的复​​合材料研究和大量关于高温聚合物的研究。此外，还包括新应用和建筑 3D 打印。这个类别肯定要大得多。他们可能不会很快发布新的 Horn 天线材料或 3D 打印CIWS制导组件征集。然而，鉴于这个多样化的集合，我们可以看到空军正在探索设施、飞机的 3D 打印保护以及高度优化的通信硬件。

• 太空时代：空军资助了一个轨道天线项目，通过以更低的成本制造更高效的天线来提高通信成本效益。
• 建筑材料：Branch Technology 正在制造3D 打印绝缘套件，将改装到现有建筑物中，耗资 113 万美元。
• 复合材料：空军在复合材料方面进行了广泛的研究，包括3D 打印复合材料和通过 3D 打印的机翼复合材料项目。
• 工具：许多航空结构和其他飞机部件都是通过铣削或 3D 打印的工具间接制造的，这解释了人们对大型工具的兴趣。
• 软件和数字：他们还旨在保护 3D 打印信息空间，这解释了他们与首尔成均馆大学在网络安全和 3D 打印方面的合作。
• 新材料：虽然超级合金和 PAEK 等先进聚合物是在 20 世纪 70 年代开发的，但自那以后，材料开发几乎没有取得突破性进展。空军正在研究 ODS 材料、金属间化合物和其他较新的材料，包括3D 打印铍等奇特项目。

希尔空军基地的 C-130 运输机维护工作。图片来源：希尔空军基地。

现在需要注意的是，上面的列表并不详尽；这些只是我们通过 Google 搜索获得的关于 AFRL 的文章。还有很多事情正在进行，还有很多事情他们没有披露。从传感器到门铰链和导弹，AFRL 正在广泛投资 3D 打印。他们活跃于所有工艺，从材料挤压到粉末床熔合和复合材料。他们正在研究 MRO、采购、新设备改进等。

从现有飞机到改进的解决方案和未来的超音速飞行器，他们也在为许多飞行器使用 3D 打印技术。这只是我们正在研究的 AFRL 部分。空军的不同司令部和部门正在做更多的事情。

如果我们看看他们活动的广度和深度，就会发现空军现在对 3D 打印至关重要。空军目前是 3D 打印最大的资金合作伙伴，参与了从初步研究到非常成熟的应用等各个方面。更重要的是，空军不仅仅是在研究、探索或尝试开发 3D 打印；他们的目标是拥有它。空军显然希望在 3D 打印技术实力方面胜过世界上任何潜在的对手，无论是在软件、材料、机器还是整体能力方面。