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美海军文章披露：3D打印是破解我国造船优势的关键？
当中国造船产能达到美国230倍的惊人差距时，美海军少将Todd S. Weeks和Matthew Sermon在最新发表的《美国海军学会学报》中抛出了一个观点：
仅仅增加工人数量无法解决造船危机，技术创新特别是3D打印技术才是突围的关键。
这篇来自2025年6月《美国海军学会学报》的重磅文章，为我们揭示了美海军内容如何看待增材制造并相信其能重塑美造船工业的未来。
以下内容均来自于原文的整理、节选和翻译。
技术创新是造船能力的关键
多年来，政策制定者、记者甚至普通观察者都在哀叹美国公共和私人海军造船厂的现状。
如果将美国造船厂与韩国和日本盟友的造船厂进行比较—更糟糕的是与中国快速扩张的造船厂相比—造船危机只会变得更加明显。
在解决这个多方面危机时，有一点是确定的：
仅仅通过增加更多工人来解决问题，而不更换过时的制造技术，就像一只脚踩油门，另一只脚踩刹车一样。
简单地说，拥有陈旧工艺、系统和基础设施的过时造船厂必须升级和改造，以便更加高效、创新和敏捷。
海军最近的多年潜艇工业基础(SIB)投资是更广泛努力的一部分，旨在"松开刹车"。
他们正在将商业上广泛应用的先进制造方法注入国家造船厂，使其更加高效，增加生产能力，并扩大其能力。
弗吉尼亚级潜艇马萨诸塞号（SSN-798）2024年3月在纽波特纽斯造船厂竣工，图片来自美海军研究院
需求、供应和变革的必要性
海军领导人反复强调对技术工人和造船商的"世代需求"。
这还是保守的说法。
以潜艇建造总吨位作为规模的粗略指标，潜艇建造需求将需要在几年内超过冷战时期的记录高度。
需求增长的主要驱动力是中俄日益增长的"威胁"，加上几十年的后冷战投资不足。
文章这部分着重夸大渲染了关于我国负面论点，AM易道对部分内容省略。
最近的估计表明，中国的造船能力比美国的造船能力大230倍。
美国企业研究所的一位高级研究员用更严峻的话说："中国在过去18年中在造船方面投资如此之多，以至于它现在一个月能建造的船只比美国一年建造的还要多。"
不幸的是，这种世代需求出现在美国海军及其造船合作伙伴努力扭转几十年来从制造业向服务业国民经济转变的宏观影响，以及后冷战"和平红利"对曾经填满美国造船厂的熟练焊工、管工和技术人员队伍的更具体影响的时期。
自20世纪末以来，制造业在就业中所占的份额及其相对于不断增长的经济的规模急剧下降。
全国各地的造船厂关闭就是这一趋势的一部分。
虽然许多人都熟悉美国去工业化的大背景，但值得注意的是，尽管制造业的作用和规模不断缩小，但美国制造业的总产出依然强劲，甚至在此期间有所增长。
这种增长主要得益于技术带来的效率提升。新的机器、改进的方法和计算机化的系统使美国工人效率更高，能够以更少的投入产出更多。
由于国防预算缩减、需求滞后以及国防领域竞争减弱，资金短缺，那些让其他制造商能够以更少的投入实现更大产出的创新技术却未能惠及造船企业。
尽管其他企业变得精益、高效、高产，但造船企业的军舰订单却越来越少，被迫袖手旁观。
许多先进的制造业创新技术因缺乏需求信号来刺激应用而与造船企业擦肩而过。
几十年来，潜艇需求低迷，加之美国制造业基础截然不同，造船企业不能仅仅依靠招聘来摆脱困境。
虽然提升产能确实需要雇佣数千名造船工人，但走出这场危机的道路必须以转型制造方式铺就，从而充分发挥美国的创新能力。
催化转型
海军抓住了竞争日益激烈的压力和世代需求作为催化剂，将急需的技术创新注入国家的公共和私人造船厂。
自2018年以来，海军已在SIB上投资超过23亿美元，涵盖745项倡议、309家供应商和33个州。
由于早期成功、类似的水面舰艇倡议和行业范围的溢出效应，海军最近将其专注于SIB的努力合并为更广泛的海事工业基础(MIB)办公室，以战略性地在整个行业分配投资。
虽然大多数SIB资金专注于扩大劳动力和减少供应链瓶颈，但1.74亿美元专门用于技术创新—具体来说，是将商业上经过验证、数据驱动且易于扩展的工具和能力注入造船厂。
海军为创新提供资金的同时，国家造船厂、传统国防工业基础合作伙伴以及越来越多的新进入者（例如风险投资、技术支持和其他非传统国防公司）有责任将投资转化为行动。
造船企业必须尽自己的一份力量，对过时的流程、系统和基础设施进行现代化改造。
海军的创新实施战略整合了先进制造方法，以实现两个目标：
提高材料可用性和增强人力资源。
这些方法将减少耗时的人工流程，提高生产效率，并改善决策。
为了展示海军的定向技术投资将如何取得成果，以下示例对比了当前造船厂的运作方式和转型过程。
提高材料可用性
脆弱的供应链会不可预测地断裂。
正如口罩大流行所证明的，看似无关紧要的供应中断揭示了以前未知的生产瓶颈，造成延误并限制产量。
先进的制造技术可以降低此类瓶颈导致的延误风险。
在造船厂，这可以通过增材制造 (AM) 和协作机器人 (cobot) 等新工具来实现，这些新工具可以在不取代传统方法的情况下补充生产能力。
机器人和增材制造 (AM) 是两项关键技术，已在造船业中展现出巨大的潜力。图中，机械臂是位于弗吉尼亚州丹维尔的丹维尔增材制造卓越中心增材制造流程的一部分。丹维尔增材制造卓越中心
更快的检测技术也可以提高可用性，从而减少零件等待最终检测的时间。许多此类方法已在私营部门广泛应用。
增材制造使用数字设计逐层构建零件，而不是将熔融金属倒入模具(铸造)或将热金属扭曲成形(锻造)的传统方法。
自2000年以来，超过40%的美国铸造和锻造铸造厂已永久关闭或迁至海外，但增材制造可以补充传统方法，将生产能力扩展到少数供应商之外，消除供应瓶颈并减少与材料可用性相关的延误。
为了降低潜在制造商的准入门槛，海军正在验证增材制造零件与传统方法制造零件的互换性，而不是要求制造商投入时间和资源来验证零件本身。
无需获得和维护复杂的模具或模具，创建新零件可以简单到将3D设计模型上传到附近的增材制造机器。
增材制造增加造船行业能力的潜力已经显示出希望。
在许多情况下，正在进行的试点项目已将长达一个月的生产时间线缩短到几天。
其快速成功已促使海军评估老化、难以采购或停产的俄亥俄级潜艇零件的全级增材制造资格。
复制几十年前停产的俄亥俄级潜艇的关键部件也是增材制造的另一项任务。图片来自美国海军
例如，一个敏捷的海军和工业专家团队使用增材制造将最后一次生产于1990年代末的阀门组件的制造时间从2.5年以上缩短到几个月。
协作机器人，例如已经应用于汽车制造装配线的机械臂，其实就是与人类伙伴协同工作的机器人。
例如，在纽波特纽斯造船厂，协作机器人已被用于减少繁重的动作、技术差异或不可避免的人为错误，这些错误会降低质量，而直到最近，在焊接大型金属部件时，这些错误仍然是不可避免的。
协作机器人的大量传感器可以检测操作员的每一个动作，纠正过大的压力、焊接电弧的位置偏差，甚至是简单的疲劳。
传感器、电机和人工的配对可以减少搬运重物的时间、风险和压力，提高焊工的精度，并生成可分析的数据，用于比较多名焊工随时间推移的表现。
这些新方法不仅可以简化单调或危险的任务，提高焊工的精准度，还可以通过提高首次生产质量来提高效率，减少在不完美部件或焊缝返工等任务上花费的时间。
事实上，最近的海军协作机器人试点项目将效率和首次产品质量提高了 45％以上，并且减少了将未来的焊工或管道工从街头带到造船厂所需的培训。
一个技术创新成熟的领域是无损检测 (NDT)。
无损检测工具套件包含许多耗时耗力的工序，从目视检查到X射线照相。就X射线照相而言，这意味着技术人员必须匍匐前进，用X射线发射机将潜艇部件曝光到实体胶片上。
为了防止篡改，直到最近，禁止将胶片数字化—这意味着必须将底片进行实体冲洗并邮寄给训练有素的检查员，有时甚至要远在数百英里之外。
改进无损检测工具并扩展无损检测套件以纳入更新、更快速的方法的工作已在进行中；
从一些唾手可得的成果，例如将模拟射线检测流程数字化，到像石油和天然气行业已经使用的“爬行机器人”。
这些新工具可以帮助人类减少耗时的检测技术，并从费力的方法转向更快、更精确的机械或自动化系统。
诺福克海军造船厂最近开展的一项使用商用无损检测技术的试点项目将零件检测时间缩短了20%。
重要的是，这些商用检测工具应用于与海军造船业一样重视安全性、保障性和准确性的行业。
劳动力增强
即使采用增材制造、协作机器人和现代无损检测工具，造船仍将始终需要数千名工人；
因此，提高劳动力的效率是扩大和改善造船能力的最有希望的方式。
造船厂数字化是一个广义术语，描述海军已经进行的努力，这些努力结合了传感器、设备互连性和数据来维护复杂系统。
图中，工人们在朴茨茅斯海军造船厂机械车间安装一套先进的传感器套件，这是一项试点项目的一部分，旨在收集设备生产能力、使用情况和维护数据。图片来自美国海军（吉姆·克利夫兰）
正如传感器网络、手持扫描仪和路由算法使UPS或FedEx能够随时了解包裹的位置以及每个包裹的最佳路线一样，船厂数字化将使人类以及日益增多的算法能够获得洞察力，并优化船厂的运营流程。韩国和日本的造船厂已经在他们所谓的"智能船厂"中运用这些方法。由于数字工具和数据管理已成为整个私营部门的标准做法，造船厂数字化听起来可能平淡无奇，但如今的海军造船厂往往依赖于过时且脱节的数据收集和管理实践。即使收集到能够产生洞察力的数据，通常也需要用纸笔记录。现代工具的普遍缺失意味着数字化将对产能提升产生巨大影响。海军正在探索如何实现纸质流程的现代化，并增加感官输入，以提供实时洞察、简化生产流程，并通过改进从材料消耗、机器停机到零件库存等所有环节的管理来增强决策能力。
最后，技术创新需要讨论人工智能(AI)。
AI在造船厂有许多有前景的应用，海军已经通过各种试点项目:
包括用于分析复杂造船厂数据集的机器学习(ML)算法；用于生成重复、样板文本或工作指令的大型语言模型；以及算法调度生成。
一艘人工智能模拟的潜艇正在建造大厅中下水。人工智能是能够提高造船效率的几项新技术之一。图片来自美海军研究院
原文结语
创新本身不会解决所有美国造船问题。
然而，上文讨论的先进制造技术是使当今造船厂及其陈旧技术与时俱进、使其更有能力满足国家安全需求的关键。创新的条件已经具备，包括来自其他行业的成熟技术以及海军的资源和支持。国会必须继续提供甚至扩大这些资源，造船厂必须实施和运用新技术来扩大产能。
AM易道评论
我们看完这篇美海军在美海军学院的刊登文章，还是挺震撼的，信息量极大。
美国海军少将提到美造船能力只有我国1/230时，这个数字不论真实性，其意图如何？
似乎除了3D打印，没有哪个制造技术能让美军工如此重视。
但AM易道必须泼一盆冷水：增材制造并非万能药。
文中那个2.5年缩短到几个月的案例确实令人印象深刻，但这个例占整个船舶制造的比例还很低。
增材制造在材料性能、生产成本、一致性方面的局限，报告刻意回避了，尤其在其没有得到国会大规模拨款之前。
毕竟，按文章说法，美国23亿美元的造船基础投资中，技术创新只占1.74亿美元，不到8%。而增材制造获得的投资就更少了。
更关键的问题是验证和认证。
军工级别的零部件需要通过极其严格的测试和认证流程，3D打印件可靠性标准验证更是个系统工程。
AM易道认为，这场关于3D打印军工竞争不是用什么方法造多少艘船的问题，真正的问题是：
制造业从来不是单一技术的胜利，而是设计、制造、验证的全体系的系统工程的升级。
当美军开始将3D打印视为重塑国防制造业的战略武器时，我国应保持清醒。
虽然造船产能优势碾压，但先进制造技术本身及其系统工程的换代升级，我国即使领先，领先窗口期或许比我们想象的要短暂。
#3D打印 #增材制造 #造船工业 #国防制造 #数字化制造 #供应链创新 #海军 #AM易道
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