《在已部署空军装备的环境中实施 3D 打印》美国空军43页报告

随着预算削减的增加和空军机队的老化，空军正在寻找创新的方法来减少工具、零件和用品的采购、运输和库存成本。特别是，传统的制造、库存和运输飞机零部件和用品可能是缓慢的、昂贵的、对人员有害的和对环境有害的。被称为"3-D打印"的新制造技术，也被称为 "增材制造"（AM）被推荐为可能的解决方案，以减少维修时间、采购成本、运输和库存成本，同时也比传统的、制造的替换零件更安全、劳动强度更低、更环保。

本文研究AM能在多大程度上使空军受益，及其目前的实施情况。本文概述了空军目前供应链的成本、操作失败和环境影响，以及军事单位如何利用AM来帮助减少这些问题。虽然正在采取措施在基地和仓库层面实施三维（3-D）打印，但空军没有为其实施提供明确的方向，也没有充分地利用其好处。因此，本文建议空军开发可部署的三维打印包，提供三维打印培训，并对在什么情况下应该购买三维打印机提供更多指导。此外，还就哪些部件应该被打印出来提出了建议，并建立了认证3-D打印飞机部件的正式批准程序。

1 引言

1.1 问题描述

在承包商工厂和军事后勤中心之间的空军物资运输占用了巨大的资源；2013年运输成本超过了56亿美元。

运输物资的成本如此之高，是因为C-5 "银河 "运输物资的平均每飞行小时成本为100941美元，而这还没有考虑到飞机的维修和保养。因此，随着作战节奏的加快，需要更多的零部件。此外，冲突越远，运输成本就越高。

战争规划者试图为军队后勤评估战争储备和备件，然而，他们的评估往往与实际需求不相符合。例如，在2012年，空军花费了4.861亿美元用于交付16架C-27A "斯巴达 "货运飞机，其中包括6050万美元的备件给阿富汗空军。在这16架飞机中，有6架必须被 "拆解 "以获得备件，以便其他10架飞机能够继续运行。拆解是指从武器系统中拆下一个目前可以使用的零件，用于维修需要该零件的飞机，以使其具备任务能力。 C-27A "斯巴达 "计划最终被认为是不可持续的，因为空军确定需要额外的2亿美元的备件来正常维护飞机。

为了解决与类似问题有关的巨大成本和短缺，陆军、海军、美国国家航空航天局、国防部（DOD）供应商和其他组织正越来越多地转向一种名为 "3-D打印 "的新技术，也被称为 "增材制造"。这项技术使他们能够在内部创建零件和用品，从而减少他们的供应链和运输成本。不幸的是，空军现在才刚刚开始探索三维（3-D）打印的好处。因此，本文探讨了以下问题：如果空军在部署地点实施三维打印，会有什么好处？

空军将3D打印机和相关原材料运输到部署地点，允许快速定制飞机零件，减少危险废物，并削减库存持有和运输成本。更重要的是，它可以通过允许部队根据需要在现场制造工具、零件和用品来提高作战能力。

增材制造（AM）是通过逐层添加（打印）一种材料（通常是塑料或金属），直到创造出三维物体。相比之下，减材（传统）制造则是将材料去除，直到留下所需的物体。AM允许零件的定制和现场生产，对培训的要求最低。

3-D打印经常使用逆向工程来重新创建，并有可能在3-D扫描仪的帮助下改进现有零件。就像磁共振成像使用磁场和无线电波来创建人体内部器官和组织的详细图像一样，3-D扫描仪创建了一个所需部件的数字副本。这种3-D模型数据可以被储存起来，用于未来的制造，或使用软件进行操作，以改进零件的设计。3D制造的零件可以打印出空心或蜂窝状的属性，这可以使它们更轻，更能够承受热应力。AM允许在制造开始前在虚拟环境中开发和快速测试设计。此外，这些3-D设计可以通过电子方式发送给部署地点的操作员。

在已部署军事装备的环境中，实施3-D打印将需要在初期运输大型打印机、原材料和外围支持设备。然而，它可以在几个方面减少运输和库存成本。首先，原材料可以被包装或托盘化，使每立方英寸的材料多于零件本身。因此，浓缩材料可以使飞机载荷的利用率更高，减少补给任务。其次，多余的粉末状原材料可以被回收到AM工艺中至少14次。此外，原材料通常保留其货币价值或升值。因此，多余的原材料可以在私营部门出售，而且安全问题很小。

在部署地点制造零件和用品可以帮助减少运输成本。空军老化的机队的许多备件没有被提前制造出来，而且供应有限。3-D打印可以降低维护成本，并为空军提供机会，通过内部制造这些零件来延长其机队的使用寿命。寻找和运输稀有零件的时间可以减少，从而提高出勤率（与任务和训练有关的飞行时间）。

空军最近为美国本土设施购置了3-D打印机，陆军和海军也在早期实施3-D打印，这可能表明AM提供了财务上的好处。AM允许在需要的基础上生产零件，这可以减少物资储存的占地面积，消除零件的持有成本，并以更少的停机时间提高操作能力。

这篇研究文献将使用问题-解决方案的方法来研究空军如何通过在前沿作战基地部署3-D打印机来生产飞机零件、工具和用品而获益。本文首先简要介绍了3-D打印机和AM，并提供了它们的使用实例。此外，还将对空军的供应链进行总结。在这个总结之后，将彻底描述空军在部署飞机零部件和用品时面临的问题和挑战，以及环境问题和操作影响。下一节将概述如何将3-D打印机部署到战斗环境中的可能手段。本文的每一节都将使用定量数据来支持所有关于支出、节约、库存水平和制造产量的主张和建议。最后，将根据研究结果提出实施3-D打印机的建议，随后是结论。