这份顶点报告分析了增材制造（AM）技术在美国国防部（DOD）当前和未来的使用情况。该分析为开发增材制造工艺和分析工具（AMPAT）提供了必要的技术背景。AMPAT将帮助利益相关者确定哪些增材制造设备能最好地服务于作战人员和他们在远征环境中的任务。此外，该工具可以被利益相关者用来确定AM能力在整个舰队中最有利的分布，并就这些能力应该如何被整合到更大的海军任务和更大的国防部企业中做出决定。采用系统工程（SE）方法来收集关于当前和未来的AM方法的信息，以了解和定义AM系统的操作要求。此外，还利用SE过程来分析建立工具的替代软件选项，实施敏捷软件开发过程来开发工具，并验证和确认该工具符合项目要求。研究发现，AMPAT根据用户定义的输入参数和加权值，成功地输出了一个AM系统建议的排名列表。关于选择AM设备和为舰队制定分散计划的建议包括使用AMPAT的可交付成果，利用用户定义的输入值进行定制的、迭代的分析，以适应特定的远征环境。

执行摘要

美国海军和海军陆战队一直在各种作战环境和任务场景中增加使用增材制造（AM）能力，以快速交付作战设备，降低成本，更换和维修部件。美国海军研究生院（NPS）海军远征增材制造（NEAM）团队的成立是为了解决海军远征作战司令部（NECC）提出的几个研究问题。该团队开发了一个名为增材制造过程和分析工具（AMPAT）的工具，该工具将：1）确定具体的增材制造设备，以便在远征环境中为部队提供最佳服务，包括分布式海上行动（DMO）、有争议环境中的沿岸行动（LOCE）和远征先进基地行动（EABO）；2）输出建议，可用于帮助通知整个舰队的增材制造设备分散计划；以及3）帮助NECC更好地将其能力融入更大的海军任务。

NEAM团队使用修改过的瀑布过程模型系统工程方法来开发一个工具来回答这些问题。NEAM团队进行了详细的文献审查，以收集有关各种AM技术、AM零件的设计考虑因素、材料处理以及AM在国防部的使用的信息。此外，该团队还会见了许多从事AM技术工作的组织的主题专家（SMEs），包括海军设施（NAVFAC）工程和远征作战中心、海军海上系统司令部技术办公室、海军陆战队系统司令部、海军水面作战中心Indian Head分部、海军水面作战中心Pt. Hueneme分部、海军陆战队第一后勤集团、海军供应系统司令部（NAVSUP）、太平洋海军信息战中心和海军研究办公室。

AMPAT是一个基于Excel的工具，用Visual Basic for Applications（VBA）编程语言编写。AMPAT包括一个数据库，供用户输入各种AM系统的信息和数据，以及一个工具仪表板，使用户能够在进行分析所需的输入和分析的输出之间轻松浏览。仪表板允许用户行使工具功能，包括调整分析标准和用户选择，向AM数据库添加打印机，检查AM数据库的错误，运行分析，以及清除结果。用户可以定制AMPAT分析，对一组具有不同规格和特性的AM打印机进行排名，以确定在特定环境下满足作战人员需求的最佳AM系统设计。关于如何使用AMPAT的每个功能，可以在《用户指南》中找到全面的、分步骤的说明。

本报告为用户提供了一个执行AMPAT以获得分析结果的方法。首先，用户通过确定感兴趣的具体属性（如故障率、运行可用性、环境条件）来设置分析参数。接下来，用户为每个选定的属性设置加权值，以排列每个属性相对于另一个属性的重要性。用户必须设置权重值，以便AMPAT进行必要的数学分析，提供具体的AM系统建议。数学分析将根据用户对每个属性的权重输入，计算出每个AM系统的加权分数，并将其标准化。AMPAT将生成一个过滤的数据库表，其中包括满足用户在运行分析之前确定的输入参数的AM系统。此外，根据分配给每个参数的权重值，将提供这些AM系统的排名列表。最后，AMPAT将绘制分析结果；用户可以选择特定的参数，以包括在绘图中，并决定是按系统绘图还是按属性绘图。

NEAM团队建议NECC使用AMPAT进行迭代分析，并继续向数据库添加新的AM系统和系统属性。随着新的信息被输入该工具，用户将收到更详细的结果，这可能会影响最终的AM排名。AMPAT提供的排名将为决策者提供建议，说明哪种AM设备在执行DMO、LOCE和EABO环境中最能为部队服务。此外，NEAM团队建议NECC将AMPAT升级到具有适当安全分类的环境中，以定制该工具的分析，为舰队的特定地点提供AM系统的建议。如果有适当的输入，该分析的结果可用于确定在整个舰队中预置AM技术的最佳策略。

为了统一国防部和国防部，AM领域的专家必须共同制定一份战略文件，确定批准AM系统用于国防部的必要标准。AMPAT应被串联使用，以协助社区评估不同的AM技术，以确定是否适合于国防部的任务和作战方案。随着用户继续用更多的AM系统填充AMPAT，并反复进行不同参数的分析，该工具的结果和输出可用于证明国防部的批准决定。

NEAM团队还建议，AMPAT应扩大到包括一个零件和零件规格的图书馆或资料库。这将扩大AMPAT的效用，使其能够为AM系统提供建议，这些系统应被用来打印特定的零件，以支持船舶、潜艇、飞机和其他车辆或设备。最终，这将减少成本并缩短舰队的时间表，以快速生产量身定做的部件，提高作战人员的准备程度。

AMPAT提供了一个决策分析过程，以确定最理想的AM设备来支持特定任务，并提高整个国防部对AM能力的认识。AM技术在确保迅速和有条不紊地维持作战设备和加强舰队准备方面发挥了关键作用。AMPAT的使用将有助于使国防部和国防部统一努力推进AM技术，以支持更大的海军任务的需要。

I. 简介

本章定义了本研究项目的问题陈述、目标、范围和操作方案。此外，本章还解释了用于开发工具的方法，以及该工具将如何被主要利益相关者--海军远征作战司令部（NECC）和其他利益相关者使用，以满足研究目标。

A. 问题陈述

几年来，美国海军和海军陆战队一直在作战环境中采用增材制造（AM）能力来快速交付作战装备。必须进行研究，以确定如何整合未来的AM能力，同时最大限度地提高投资回报，并尽量减少重复工作。首要的目标是将这项研究应用于部署在各种环境中的能力，如：分布式海上行动（DMO）、有争议环境中的沿岸行动（LOCE）和远征先进基地行动（EABO）。就本报告而言，重点是开发一个工具和数据库，以协助决策者确定在这些环境中使用适当的增材制造。

增材制造已经被证明是非常有益的，它提供了降低成本和快速的部件更换和维修；本报告的以下部分将更详细地讨论AM的具体优势和劣势。由于AM是一个快速发展的技术领域，很难持续比较和权衡技术能力和属性以满足不断变化的需求。需要一个工具，让领导层充分了解当前和新的AM技术提供了哪些能力，这样他们就可以做出明智的决定，使国防部（DOD）的投资回报最大化，以支持作战人员和他们的任务。决策者需要考虑的一些特性包括：移动性、易用性、培训、打印材料和打印机床尺寸。

本项目的目的是提供一个总体决策分析方法和工具，其中包括一个易于修改的NECC当前3D打印机和部件的数据库，以有效地将当前和未来的AM能力整合到更广泛的海军远征任务中。海军远征增材制造（NEAM）团队广泛研究了当前的AM能力及其在远征部队中的应用，以帮助开发分析方法、工具和数据库，NECC可以采用并用于确定如何在整个美国海军舰队中最佳地分散AM能力并实现利益最大化。虽然在海军远征军内，以及在海军和国防部内广泛存在着对AM集成的广泛需求和巨大潜力，但NEAM项目侧重于将AM作为部署系统、平台和车辆的支持能力。最终，该计划将作为NECC的参考和指南，以便在海军和海军陆战队的AM设备部署战略和采购方面做出明智的决定。

B. 研究目标和项目范围

本项目的重点是NECC在部署AM设备供远征军使用时，如何使投资回报最大化，并尽量减少重复工作。这项研究有助于实现在DMO、LOCE、EABO和其他情况下部署AM能力的总体目标，同时确保与现有工作的互操作性，尽量减少重复的工作，并使投资回报最大化。为了不重复工作，该团队利用以前为类似工作完成的工作，并与海军内部正在进行的AM工作协调。这项研究的目的是为NECC提供一个决策分析过程，以指导决策者选择最有效的AM技术来满足远征环境中的具体使用情况。

上述三种远征环境（即DMO、LOCE和EABO）对AM技术都有自己独特的需求。DMO环境将海军的注意力集中在同行和近邻的竞争者身上，这需要舰队级别的参与主要作战行动。为了做到这一点，它在各司令部之间建立了更加一体化的关系，并促进了对风险的计算接受。同样，EABO手册指出，"EABO是一个未来的海军作战概念，满足美国联合远征作战的下一个范式的弹性和前沿存在要求"（海军陆战队协会2018，5）。这一战略提供了进行远征作战的机会，在不摧毁所有敌军的情况下击败对手的战略。此外，EABO手册 "鼓励海军陆战队和海军发展优化的内部力量能力，以服务于整个DMO结构"（海军陆战队协会2018，22）。LOCE概念描述了沿海环境中的海军行动，考虑到新出现的威胁，为海军和海军陆战队提供了一个创新的、联合的框架（有争议环境中的沿海行动，2020）。AM在确保作战人员在这些环境中得到适当装备方面发挥着关键作用。

考虑到这些环境，NEAM项目重点关注以下问题，以利用AM技术解决作战人员能力方面的关键差距。

1.什么样的AM设备能够最好地服务于执行DMO/LOCE/EABO的部队，包括考虑与其他美国海军陆战队和海军部队的互操作性？

2.在整个舰队中，什么是最有利的AM能力的分散，以使利益最大化，包括潜在的设备预置？

3.NECC如何将其能力更好地整合到更大的海军任务中？

这个项目并不打算分析AM实施的每一部分；因此，未来的工作将建立在这个项目的基础上。未来的工作也被认为是减少范围蠕变风险的一个缓解因素。NEAM团队对未来工作的建议可以在第七章A节中找到。

C. 方法

为了实现协助NECC最大限度地提高投资回报和减少重复的项目目标，这项研究的重点是开发一个数据库和工具，以协助决策和增加对特定任务和目标的可用AM能力的接触。该工具和数据库是使用微软Office产品开发的，因为它在整个联邦政府的计算机系统中通常是可用的。这将有助于确保它能在整个海军中被广泛传播并被大量受众使用。

该工具是使用系统工程过程中选择的软件开发的。它侧重于由利益相关者和NECC定义的AM系统的各种能力。用户可以使用内置的图形用户界面（GUI）加载AM系统的各种特性并分配权重。该工具根据所期望的远征环境的特征分配权重，输出AM系统建议。

为了确保交付物满足利益相关者的需求，NEAM团队采用了一种系统工程方法，包括利益相关者的持续反馈，这在第四章有详细描述。这使得利益相关者能够在项目进展过程中对研究的具体方向提供意见，并使NEAM团队能够在获得信息和分析结果时提供。