美国海军利用3D打印技术修复F/A-18战斗机轮胎 成本降低至300美元

在最近美国华盛顿特区附近举行的海空天会议上，美国海军航空系统司令部增材制造团队的项目经理西奥多·格朗达告诉与会者，F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗机轮胎的更换费用非常昂贵。

有多贵？根据格朗达的说法，每个轮胎的更换费用接近六位数。部分原因是轮胎与轮子一起更换。美国海军实际上是以组件的形式购买“超级大黄蜂”的替换轮胎，接收已经相互匹配的轮胎/轮辋。每个轮胎/轮毂组件的成本约为10万美元。

毫无疑问，像“超级大黄蜂”这样的航母舰载机上的轮毂和轮胎的寿命相对较短。自2019年以来，美国海军F/A-18E/F“超级大黄蜂”机队逐步实施了多阶段使用寿命改造计划，将战斗机的使用寿命从6000小时延长至10000小时。在整个服役期内，“超级大黄蜂”战斗机进行了数以千计的起降，包括从航空母舰上拦阻着陆和弹射起飞，以及从固定基地起飞和着陆。在此过程中，它们消耗掉许多车轮和轮胎，在航母作战期间消耗得特别快。

格朗达解释说，“超级大黄蜂”飞行员经常在航母甲板上猛烈着陆，导致战斗机的主起落架轮缘变长，安装在轮缘上的轮胎也会晃动。如果轮胎晃动，轮毂和轮胎组件就会被拆下丢弃，这样做的成本很快就会很高。我们每年要使用166个这样的轮胎，每个轮胎的成本高达六位数”。

据波音公司称，固特异和米其林提供橡胶。主起落架轮由霍尼韦尔航空航天飞机起落系统公司提供，但这三家公司都拒绝公布详细的价格信息。

假设每个轮毂组件的名义价格为10万美元，简单的数学计算表明，美国海军“超级大黄蜂”轮毂组件的更换费用约为每年1660万美元。

如果能修复轮辋并重新安装轮胎，美国海军的轮毂/轮胎费用可能会大幅下降。美国海军航空系统司令部的增材制造团队认识到使用固态冷喷3D打印技术修复“超级大黄蜂”轮辋的可能性。格朗达解释说利用冷喷技术可以修复80%的轮辋”

冷喷是一种增材制造工艺，对标准3D打印进行了调整。简单来说，就是将微小的金属颗粒与载气（通常是氮气或氦气）混合，然后通过喷嘴加速到2-3马赫的速度。在冷喷修复过程中，这些微粒会直接喷射到零件上，添加材料以重新构建并强化零件。

“冷喷”这个词有点名不副实。使用的添加剂颗粒会被加热，但只加热到熔点的80%以下，使其具有可替代性。颗粒凝聚成固态，形成高强度、结构合理的粘合剂。使用后，新材料经过改性，可与被修复部件的原始形状或公差相匹配。因此，固态冷喷既是一种加法工艺，也是一种减法工艺。

自2020年以来，美国空军一直在使用冷喷工艺和增材制造设备，修理而不是更换从飞机铰链到结构支撑、轴和起落架组件等各种部件。2021年，该部门使用固态冷喷技术修复了一架B-1B的机翼上方整流罩滑动接头，该工艺有可能被用于帮助最近从仓库中取出的一架退役“枪骑兵”轰炸机再生。

美国海军航空系统司令部早在十多年前就开始采用增材制造技术，并于2016年利用该技术制造了其首个飞行关键飞机部件，即V-22 “鱼鹰”发动机短舱的3D打印连接和配件组件。受疫情影响引发的供应链问题迫使美国海军从2020年开始加快投资和使用增材制造技术。如今，美国海军航空系统司令部已向33个地点（包括已部署的航空母舰）提供了96台增材制造设备。

该司令部使用各种3D打印机对飞行关键部件进行维修。2021 年，美国海军航空系统司令部授予了一份为期五年的IDIQ合同，价值高达500万美元，用于购买可全面部署的3D打印系统，包括Ultimaker S5 3D打印机。

这项投资看来将在不同的平台和设备类型（包括“超级大黄蜂”轮胎/轮毂组件）上得到回报。格朗达表示增材制造团队的初步评估是，每年送往报废/回收的166个轮辋/轮胎中，超过80%都可以用这种冷喷技术进行修复。

他补充说，每次冷喷涂修复需要两个小时，每个车轮的成本为300美元。这样算下来，每年修复轮辋和重新安装轮胎的总费用约为4万美元。与按照惯例简单更换组件所需的1660万美元费用相比，维修看起来是一个不需要动脑筋的事情。它在战场或前沿作战地点（如航空母舰）的应用潜力进一步增加了其价值。

例如，增材制造团队最近为一艘已部署的航空母舰的光学着陆系统快速提供了新的耦合器配件。由于耦合器疲劳，该系统出现故障，导致舰上的一些飞机无法飞行。在取得联系后，该团队重新设计了用于3D打印的小型配件，对其进行了测试，获得了批准，并以电子方式将耦合器数据发送到船上，然后进行了打印。

也就是说，美国海军战斗机中队不会在海上进行“超级大黄蜂”轮缘维修。据格朗达称，冷喷过程中使用的金属粉末对环境有一定的要求，这意味着目前只能在岸上的维护设施中进行此类维修。

格朗达解释说：“冷喷技术正在促使我们重新评估供应系统中已有的物品。这些物品以前被认为是不可维修的消耗品，因此重新评估这一流程可以帮助我们降低总体维持成本，节约成本并重新投资于更重要的国防部能力”。

今年2月，美国海军航空系统司令部和美国海军海洋系统司令部在弗吉尼亚州丹维尔开设了增材制造海军航空学校。学校有一个教员团队，在学校举办的为期六周的课程将培养出一批增材制造团队工匠，以更低的成本和更短的时间满足日益增长的供应和再补给需求。

五角大楼所面临的供应链压力，从弹药到零件再到设备，再加上预算压力和效率低下，就连一袋简单的垫圈也要支付9万美元，有望推动更多的创新方法来修复或本地制造硬件，而不是简单地用零件炮来解决问题。单一战斗机型号每年的轮毂/轮胎费用高达1600多万美元，而这一费用可以降低到5万美元以下，这正是各军种不能浪费的机会。