美軍增材制造技術(shù)在后勤保障領(lǐng)域的應(yīng)用及啟示*

張?zhí)煊?羅凱文 肖 驊 張洪萍 凌 華

（1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 重慶 401331）（2.中國人民解放軍西藏軍區(qū) 拉薩 850000）

1 引言

隨著美國將戰(zhàn)略逐步聚焦在未來的全域戰(zhàn)爭，并將中國作為“大國沖突”重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，美軍的兵力部署已發(fā)生巨大改變，“打贏多線戰(zhàn)爭”的目標(biāo)，也對(duì)其后勤保障提出了更高要求。而增材制造（以下簡稱AM）技術(shù)，俗稱3D打印技術(shù)，已發(fā)展10年以上，在軍事領(lǐng)域的作用愈發(fā)重要，能為美軍在全球范圍內(nèi)作戰(zhàn)提供有力支撐，滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的基本要求。通過研究美軍AM技術(shù)在后勤保障領(lǐng)域的應(yīng)用情況，有助于為我軍拓寬后勤保障能力發(fā)展渠道提供新的思路。

2 AM技術(shù)在美軍中后勤保障中的典型應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域

AM技術(shù)使用最成功的領(lǐng)域之一是醫(yī)療行業(yè)。通過3D打印可復(fù)制多種人體器官，并通過模擬來幫助進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)。早在2008年，首款3D打印的假肢就備受好評(píng)［1］，它可按照原樣打印，無需任何后續(xù)組裝，經(jīng)過多年發(fā)展，如今結(jié)合3D掃描的醫(yī)療假肢和矯形器已變得更好，更便宜，沃爾特·里德陸軍醫(yī)療中心已創(chuàng)建并成功植入了多個(gè)鈦質(zhì)顱骨板。

隨著AM技術(shù)的改進(jìn)提升，醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)中的多種產(chǎn)品已達(dá)到與傳統(tǒng)制造方法相同的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從小型診所到大型醫(yī)院，各種醫(yī)療設(shè)施可以與醫(yī)療公司和物流供應(yīng)商合作，創(chuàng)造一個(gè)端到端的3D打印服務(wù)，通過規(guī)?；\(yùn)營，降低成本和復(fù)雜性。在2020年新冠疫情爆發(fā)期間，利用3D打印中的“快速原型技術(shù)”，將口罩部件、呼吸機(jī)部件甚至冠狀病毒鼻腔測試棉簽的設(shè)計(jì)立即傳輸?shù)綌?shù)千臺(tái)電腦上，以至于高校、科技公司和3D打印愛好者等多種渠道都能為醫(yī)護(hù)人員制作醫(yī)療用品［2］。

面對(duì)未來戰(zhàn)爭，美國國防部（DoD）更是在醫(yī)學(xué)上針對(duì)AM技術(shù)不斷開展研究，前沿的應(yīng)用包括：組織和器官的生物制造或再生、生物材料、藥物傳遞系統(tǒng)、醫(yī)療器械、植入物、矯形器和假肢等。衛(wèi)勤部隊(duì)中已應(yīng)用部分技術(shù)成果，如空軍手術(shù)牽開器，可在偏遠(yuǎn)地區(qū)的作戰(zhàn)環(huán)境中生產(chǎn)，為戰(zhàn)場環(huán)境下的傷員救治提供手術(shù)器材［3］。

綜上所述，美軍在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已逐漸從后方醫(yī)療保障發(fā)展為戰(zhàn)場前線支援，拓展了AM技術(shù)的使用場景，同時(shí)，面對(duì)公共衛(wèi)生突發(fā)事件，AM技術(shù)在實(shí)際問題中得以應(yīng)用，且產(chǎn)生了良好的效果，且通過“數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，多點(diǎn)生產(chǎn)”的方式，更加充分地調(diào)動(dòng)了各區(qū)域的生產(chǎn)力，有效緩解了醫(yī)療物資短缺問題。

2.2 裝備保障領(lǐng)域

阿富汗戰(zhàn)場上，美軍在遠(yuǎn)離本土的惡劣條件地區(qū)，利用AM技術(shù)對(duì)部隊(duì)進(jìn)行裝備保障，快速裝備部隊(duì)fablab項(xiàng)目就是典型例子，該項(xiàng)目中，一個(gè)移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室（ELM）被放置在戰(zhàn)區(qū)里。ELM是一個(gè)20英尺的集裝箱實(shí)驗(yàn)室，配備有3D打印機(jī)，激光切割機(jī)，銑床和其他設(shè)備，通過3D打印技術(shù)，能快速幫助他們完成所需的簡單物品和各類零部件生產(chǎn)。此外，美軍通過3D打印改進(jìn)武器裝備，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，如：針對(duì)美國陸軍M249輕機(jī)槍雙腳架附件不允許水平移動(dòng)的問題，采用3D打印原型，實(shí)驗(yàn)室在一周內(nèi)開發(fā)并安裝一個(gè)新的附件，擴(kuò)展了M249運(yùn)動(dòng)范圍，與過去通常需要數(shù)月才能找到解決辦法相比，AM技術(shù)使指揮官和作戰(zhàn)人員能夠靈活地快速解決他們在戰(zhàn)場上遇到的問題。

隨著裝備的發(fā)展，越是使用先進(jìn)技術(shù)的裝備，往往越是脆弱，美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)艦的設(shè)備、傳感器、計(jì)算能力、電氣設(shè)備和機(jī)械數(shù)量較多，一艘價(jià)值數(shù)百萬甚至數(shù)十億美元的軍艦，閑置在港口，只因缺少一個(gè)零件。而AM技術(shù)同樣為海軍增強(qiáng)遠(yuǎn)程作戰(zhàn)能力提供了保障，將金屬3D打印機(jī)和工廠實(shí)驗(yàn)室置于艦艇上，嘗試通過3D打印對(duì)所需的關(guān)鍵部件或者不宜攜帶部件進(jìn)行更換，可延長軍艦在海上的停留時(shí)間，使其能夠在任務(wù)地區(qū)快速維修，避免零部件從廠家生產(chǎn)后再通過遠(yuǎn)距離運(yùn)輸而影響任務(wù)執(zhí)行。

綜上所述，美軍在裝備保障領(lǐng)域應(yīng)用AM技術(shù)能夠?yàn)閼?zhàn)術(shù)行動(dòng)提供便利，主要是利用其“不受生產(chǎn)地域限制”的特點(diǎn)，在任務(wù)地點(diǎn)為部隊(duì)“打印”裝備零部件，避免因零部件缺失而不得不從后方運(yùn)輸?shù)那闆r，確保前線人員裝備性能良好。

2.3 軍事物流領(lǐng)域

美軍通過AM技術(shù)的靈活生產(chǎn)特性，來緩解供應(yīng)鏈上制造商不足和材料短缺的問題，可以在多臺(tái)機(jī)器和多個(gè)地點(diǎn)分布制造所需零部件，以減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高養(yǎng)護(hù)和維修效率，降低成本，以達(dá)到“彈性和靈活的物流”要求。同時(shí)，讓部隊(duì)具備在戰(zhàn)場上開發(fā)創(chuàng)新解決方案的能力，減少對(duì)生產(chǎn)商的依賴，如：美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)曾在現(xiàn)場創(chuàng)新打印傳感器外殼，以確?；刂苓吶笨谔幍陌踩魂戃姮F(xiàn)場打印低成本遮罩，以保護(hù)坦克上的百萬美元鏡頭，美國空軍使用AM技術(shù)替換C-5的過時(shí)部件，成本僅為5%。此外，AM技術(shù)針對(duì)無法通過其他方式采購的項(xiàng)目，無論是因?yàn)檫^時(shí)停產(chǎn)還是供應(yīng)鏈?zhǔn)?，都可以進(jìn)行即時(shí)生產(chǎn)，滿足緊急狀態(tài)下對(duì)于此類物品的需求。相比可通過正常供應(yīng)鏈獲得的零部件，AM技術(shù)能在快速制造的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)定制化，便于生產(chǎn)復(fù)雜、特殊產(chǎn)品［4］，滿足使用者的特定需求。

綜上所述，美軍在軍事物流領(lǐng)域應(yīng)用AM技術(shù)，在戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)層面皆可發(fā)生作用，進(jìn)一步解決供應(yīng)鏈上的軍事、經(jīng)濟(jì)效益問題。在軍事效益上，能夠縮短供應(yīng)鏈，以減少保障所需時(shí)間，甚至是讓部隊(duì)在現(xiàn)地得到保障；在經(jīng)濟(jì)效益上，不僅能夠進(jìn)一步壓縮產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、供應(yīng)鏈運(yùn)營成本，還可生產(chǎn)過時(shí)產(chǎn)品的零部件，提升老舊裝備使用價(jià)值。

3 美軍應(yīng)用AM技術(shù)對(duì)于后勤保障的影響

3.1 與海外軍事基地相結(jié)合，調(diào)整后勤保障力量部署

到21世紀(jì)中葉，美國的工業(yè)基礎(chǔ)已經(jīng)能夠滿足在兩個(gè)戰(zhàn)場上進(jìn)行世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)時(shí)生產(chǎn)需求。據(jù)公開資料顯示，目前美國海外軍事基地約為374個(gè)［5～6］，以此為依托，美軍可建立本土與各大洲的鏈接，執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)初期利用當(dāng)?shù)鼗蚋浇娛禄靥峁┍Ｕ?，而后從本土提供源源不斷的有生力量?/p>

隨著AM技術(shù)逐漸成熟，在任務(wù)地域中所需的通用裝備、后勤器材、各類物資的儲(chǔ)備規(guī)模和保障方式將發(fā)生改變，美軍海外軍事基地中承擔(dān)運(yùn)輸與配送任務(wù)的部隊(duì)規(guī)模將逐漸調(diào)整，諸如美軍常用的空投、海運(yùn)補(bǔ)給等部隊(duì)力量編成也將發(fā)生不同程度改變，基地中“倉儲(chǔ)”職能會(huì)進(jìn)一步與“生產(chǎn)”職能結(jié)合，在儲(chǔ)備規(guī)模減少的同時(shí)對(duì)制造所需物品原材料供應(yīng)更加依賴。突破技術(shù)限制后，美軍后勤保障的快速反應(yīng)能力將得到巨大提升，擔(dān)負(fù)后勤保障任務(wù)的部隊(duì)可繼續(xù)向戰(zhàn)略縱深推進(jìn)，縮短與作戰(zhàn)部隊(duì)距離，由此擴(kuò)大兵力部署范圍，而不必?fù)?dān)心補(bǔ)給線過長的問題。

3.2 創(chuàng)造前沿地區(qū)補(bǔ)給條件，改變區(qū)域作戰(zhàn)保障樣式

美軍在全球范圍內(nèi)的作戰(zhàn)行動(dòng)，無論是在沙漠腹地還是島嶼叢林，其任務(wù)區(qū)域經(jīng)常遠(yuǎn)離補(bǔ)給點(diǎn)，部隊(duì)保障依賴于強(qiáng)大的運(yùn)輸和配送力量，同時(shí)也伴隨著保障過程中的風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)對(duì)這一問題，美軍通常會(huì)采取預(yù)置預(yù)儲(chǔ)方式，位于陸上前沿的野戰(zhàn)倉庫，亦或是位于海上的預(yù)置船［7～9］，保障部隊(duì)初期作戰(zhàn)?；诋?dāng)前實(shí)際情況，美軍應(yīng)用AM技術(shù)對(duì)作戰(zhàn)保障有兩點(diǎn)影響：一是延展了預(yù)置預(yù)儲(chǔ)的功能。預(yù)置的物資、裝備不僅是即時(shí)可用的成品，還包括維修器材、生產(chǎn)機(jī)器、零部件原料等，可在任務(wù)地域安全、高效地按需生產(chǎn)，有效應(yīng)對(duì)因需求不確定性而造成的預(yù)置不足或是冗余，以此來進(jìn)一步提升儲(chǔ)備效益；二是縮短了保障鏈的物理距離。某些作戰(zhàn)物資、裝備具有“消耗快、運(yùn)輸不便”的特點(diǎn)，利用AM技術(shù)在當(dāng)?shù)鼗蛘呔嚯x目標(biāo)地域不遠(yuǎn)處進(jìn)行生產(chǎn)，及時(shí)投入戰(zhàn)場，在保證安全的情況下將物資生產(chǎn)“工廠”盡可能前置，有助于提升整個(gè)保障鏈的抗毀性，從而提升后勤保障效益。

此外，美軍無人化作戰(zhàn)［10～13］手段也能夠依托AM技術(shù)的即時(shí)補(bǔ)給功能而具有更多選擇。成規(guī)模的無人化作戰(zhàn)部隊(duì)受到“作戰(zhàn)范圍、保障距離”等諸多客觀因素影響，戰(zhàn)場裝備的持續(xù)作戰(zhàn)能力源于高效的戰(zhàn)場補(bǔ)給，快速修理，因此，針對(duì)無人化戰(zhàn)爭特點(diǎn)，美軍在戰(zhàn)場兵力配置上，技術(shù)人員所占比重會(huì)逐步增加，作為保證無人化裝備戰(zhàn)斗力持續(xù)輸出的關(guān)鍵。

3.3 改變傳統(tǒng)生產(chǎn)儲(chǔ)備方式，優(yōu)化后勤保障經(jīng)費(fèi)開支

美國防部在與軍品制造商簽訂生產(chǎn)合同時(shí)，就規(guī)定了生產(chǎn)數(shù)量及機(jī)動(dòng)幅度，如果超出此范圍，國防部會(huì)再次支付費(fèi)用，故美軍必須具備更精確的需求預(yù)測，對(duì)各類物資制定相應(yīng)的需求波動(dòng)范圍，否則會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)量不足影響美軍全球戰(zhàn)略的保障效益，或因產(chǎn)量過剩而加劇成本，如：倉儲(chǔ)成本、運(yùn)輸成本、管理成本、養(yǎng)護(hù)成本等。針對(duì)以上問題，美國國防部（DOD）利用“聯(lián)合后勤企業(yè)（JLEnt）”系統(tǒng)，充分結(jié)合AM技術(shù)優(yōu)勢，將實(shí)物庫存過渡到數(shù)字庫存，部分倉庫中儲(chǔ)存的物資采取數(shù)字模型及原材料的方式，而非成品，待上級(jí)部門下發(fā)需求指令后，從庫中提取相應(yīng)模型，并加以原材料快速生產(chǎn)。

總體而言，需求的不確定性，會(huì)影響供應(yīng)鏈運(yùn)作效率［14］，造成資源浪費(fèi)，而AM技術(shù)正是美軍破解“需求迷霧”的關(guān)鍵之一，按需生產(chǎn)、提高效率、控制庫存，有助于優(yōu)化資源分配結(jié)構(gòu)，提升戰(zhàn)爭經(jīng)濟(jì)效益。

4 美軍AM技術(shù)應(yīng)用對(duì)我軍的啟示

4.1 將AM技術(shù)運(yùn)用到海外軍事行動(dòng)，服務(wù)軍事戰(zhàn)略

2021年1月1日，習(xí)主席簽發(fā)《軍隊(duì)后勤條例》，創(chuàng)新提出后勤保障的方式方法，規(guī)范保障行動(dòng)組織實(shí)施，為進(jìn)一步規(guī)范軍隊(duì)后勤工作，建設(shè)強(qiáng)大的現(xiàn)代化后勤提供了重要遵循，為有效履行新時(shí)代軍隊(duì)使命任務(wù)提供了有力保障。面對(duì)日益復(fù)雜的國際形勢，海外軍事行動(dòng)、非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)對(duì)后勤保障能力提出了新的要求，我軍需要擺脫對(duì)本土保障的依賴，將強(qiáng)大的工業(yè)生產(chǎn)能力延伸到任務(wù)所至之處。

AM技術(shù)的優(yōu)勢在于，可將生產(chǎn)能力向我軍任務(wù)前線傳遞，除了在海外軍事基地配置AM實(shí)驗(yàn)室外，我軍還可以將3D打印機(jī)置于移動(dòng)方艙中，并將其與艦艇相結(jié)合，使得補(bǔ)給船只具有3D打印保障的能力?，F(xiàn)代戰(zhàn)艦，設(shè)備、傳感器、布線、計(jì)算能力、電氣設(shè)備和機(jī)械的數(shù)量較大，如果關(guān)鍵部件損壞，不管戰(zhàn)艦多么精密，皆不能投入使用。尤其是在我軍艦隊(duì)執(zhí)行遠(yuǎn)洋任務(wù)時(shí)，若遇此類情況，可依托補(bǔ)給船只，在水面上即時(shí)生產(chǎn)、更換維修，延長軍艦在海上的停留時(shí)間，增強(qiáng)其遠(yuǎn)程作戰(zhàn)能力。

此外，對(duì)于我軍需求量較大，通用性較強(qiáng)且無需保密的物資，可采取分布式生產(chǎn)的方式，即不依賴兵工廠集中生產(chǎn)后運(yùn)遠(yuǎn)程輸至任務(wù)地域，而是在靠近指定區(qū)域處多地多點(diǎn)生產(chǎn)后短途運(yùn)輸至需求單位。因此，可以從一定程度上緩解我軍海外基地少，且在本土以外軍工生產(chǎn)能力相對(duì)薄弱的情況，為海外軍事行動(dòng)、非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)提供強(qiáng)力支撐。

4.2 將AM技術(shù)運(yùn)用到“儲(chǔ)、運(yùn)”環(huán)節(jié)，提升保障效率

AM技術(shù)的最大優(yōu)勢在于，能夠突破地理位置限制，對(duì)不具備特殊生產(chǎn)環(huán)境條件的產(chǎn)品，可進(jìn)行即時(shí)生產(chǎn)。因此，出現(xiàn)“保障鏈過長不便于運(yùn)輸”、“任務(wù)需要必須即時(shí)補(bǔ)給”、“從戰(zhàn)略后方補(bǔ)給成本較高”等情況時(shí)，利用AM術(shù)進(jìn)行就地生產(chǎn)，能夠有效提升保障效率。

從儲(chǔ)備結(jié)構(gòu)的角度看，我軍可減少部分軍用物資、裝備的成品儲(chǔ)備，轉(zhuǎn)而將AM有關(guān)要素，在靠近任務(wù)地域的海外軍事基地、野戰(zhàn)倉庫等位置進(jìn)行部署，儲(chǔ)備品包括：數(shù)字模型（打印對(duì)象所需的數(shù)字設(shè)計(jì)信息）、材料（用于制造最終所需物品的材料）、3D打印機(jī)（用于打印固體對(duì)象的機(jī)器）。在具備以上條件后，便能以產(chǎn)代儲(chǔ)，有效控制庫存，優(yōu)化管理。

從保障鏈的角度看，我軍可減少對(duì)戰(zhàn)略后方遠(yuǎn)距離補(bǔ)給的依賴，通過在前沿地域快速生產(chǎn)，能夠及時(shí)補(bǔ)充戰(zhàn)場急需物資，尤其是在當(dāng)今智能化戰(zhàn)爭的發(fā)展趨勢下，無人化作戰(zhàn)更多依賴于高科技裝備，進(jìn)而會(huì)帶來相應(yīng)的零部件維修［15］、裝備養(yǎng)護(hù)等問題，無人車、無人機(jī)、無人艇等更是受作戰(zhàn)范圍的嚴(yán)重制約。利用AM技術(shù)，一是能夠靠前部署補(bǔ)給地點(diǎn)，延伸作戰(zhàn)范圍；二是能夠快速生產(chǎn)所需部件，修復(fù)受損裝備，恢復(fù)無人化部隊(duì)的戰(zhàn)斗力?？梢哉f，AM是我軍開展無人化作戰(zhàn)保障探索的重要技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)作戰(zhàn)樣式升級(jí)改進(jìn)具有推動(dòng)作用。

4.3 將AM技術(shù)運(yùn)用到后勤管理過程，優(yōu)化保障開支

對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)效益，后勤保障中針對(duì)物資的開支主要包含兩個(gè)重要方面。一是未來要生產(chǎn)的物資、裝備所需費(fèi)用，此部分可充分借鑒美軍經(jīng)驗(yàn)，利用AM技術(shù)實(shí)現(xiàn)按需生產(chǎn)，解決冗余或是短缺的問題，從而節(jié)省物資、裝備生產(chǎn)、儲(chǔ)存、管理、養(yǎng)護(hù)、緊急籌措等一系列成本。二是過去已生產(chǎn)的物資、裝備處理費(fèi)用，此類物資、裝備中，除部分生產(chǎn)日期相對(duì)較短，仍在使用期限內(nèi)，其余普遍存在“老舊”問題。尤其是我軍某些后勤裝備仍具備一定的使用價(jià)值，未達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，但由于儲(chǔ)備年限較長，零部件有部分損壞，相應(yīng)廠家已停止生產(chǎn)原來的老舊裝備零部件，使得其只能閑置在庫房。基于該情況，可利AM技術(shù)解決上述問題，只需由原生產(chǎn)廠家提供，或是通過掃描等方式取得既定后勤裝備的數(shù)字模型，便能利用3D打印機(jī)制造相應(yīng)零部件，供老舊后勤裝備使用及維修［16］。同時(shí)，在發(fā)展AM技術(shù)的基礎(chǔ)上，配套建設(shè)我軍后勤裝備的“數(shù)字模型”庫，有助于老舊后勤裝備處理，進(jìn)一步提高其使用價(jià)值。因此，AM技術(shù)能夠?yàn)槲臆姂?zhàn)備物資儲(chǔ)備、裝備使用與維修中的經(jīng)濟(jì)效益有關(guān)問題提供解決方案，進(jìn)一步壓縮管理成本，減少資源浪費(fèi)。

5 結(jié)語

美軍對(duì)AM技術(shù)的使用，不管是在理念上還是方法上，都具備一定的先進(jìn)性。從宏觀上看，在經(jīng)濟(jì)全球化的大背景下，該技術(shù)能夠更加充分調(diào)動(dòng)盟國資源，服務(wù)于自身軍事戰(zhàn)略，為全球軍事擴(kuò)張?zhí)峁?qiáng)有力的后勤保障；從微觀上看，該技術(shù)能在作戰(zhàn)及戰(zhàn)備的環(huán)節(jié)中，解決裝備維修、戰(zhàn)備物資的生產(chǎn)和管理等實(shí)際問題，為官兵工作提供便利。通過發(fā)展AM技術(shù)，借鑒美軍的使用方式和理念，不斷拓寬使用場景，是我軍后勤保障領(lǐng)域?qū)で笸黄频闹匾e措。