國軍後勤維修3D列印之應用評估
2020.03.20
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壹、新聞重點
法國航空母艦戴高樂號（Charles de Gaulle）的維修團隊提出3D列印（3D printing，又稱積層製造）技術的應用計畫，在得到法國航空維護局（Direction de la Maintenance Aéronautique, DMAÉ）的同意後，由達梭系統（Dassault Systèmes）負責以3D列印技術生產滑油放油嘴（Oil Drain）組件，同時將之裝備於法國海軍所屬飆風戰機（Rafale）上，並於2020年3月初成功完成飛行測試，這也是法國海軍首次將3D列印技術應用在其轄下的機隊上。[1] 由於我國部分軍備面臨消失性商源等後勤維修問題，法軍的3D列印使用經驗可供處理此一問題作參考。
貳、安全意涵
一、3D列印成為國防產業的重點發展項目
法國武器裝備總署（Direction Générale de l’Armement, DGA）針對3D列印在國防領域的應用性已經展開多項可行性研究，如飆風戰機所使用之發動機（Snecma M88）的零組件維修。同時，近年來許多法國國防大廠也投入3D列印的應用研發之中，如以賽峰直升機發動機公司（Safran Helicopter Engines）與海軍集團（Naval Group）為例，在2018年分別使用3D列印製造出直升機的發動機燃料噴射裝置與水面艦與潛艦的螺旋槳，其中主要使用熱熔堆積成型技術（Fused Deposition Modeling），如何透過選擇正確的材料，加快產品列印的速度並提升產品的耐用度是目前研發的關鍵重點。
此外，就我國而言，國內已有多項3D列印的應用成果，在武器零組件方面，中科院飛彈所在2019年11月以鎳金超合金粉末為材料，成功利用3D列印製造飛彈渦輪引擎的試驗案例。在醫學方面，三軍總醫院與國防醫學院在2018年5月成立「國醫中心醫用 3D 列印中心」，將3D列印導入臨床使用當中。
二、效率與彈性為3D列印在軍事領域應用的優勢
3D列印能夠有效提升後勤維修的效率，特別是減輕等待時間過長的問題，根據法國陸軍的估計，3D列印應用在裝甲車輛維修上能夠節省的時間平均為15小時。[2] 如以法軍所使用的寶獅P4越野車（Peugeot P4）發動按鈕為例，在過去，零組件維修從新零件預訂到更換完畢需要耗時數天的時間，在此時間內車輛不但處在無法運作的狀態，整個供電系統也必須一同更換。然而，在使用3D列印之後，新發動按鈕的製造在幾分鐘之內即可完成，不需更換整個系統便可馬上投入運作。
此外，3D列印可以為生產帶來更多彈性，在電腦輔助設計（Computer-Aided Design, CAD）的協助之下，能夠打破鑄模到組裝的傳統生產流程限制，直接根據需求進行少量的生產，免除庫存過多或消失性商源的問題。同時，在每一次的生產過程中也可進行細部修改，更加貼切回應不同戰場時空背景的需求。
三、基層士官兵可利用3D列印作出反饋
在接受基本3D列印技術的教學課程後，法國軍方給予士官兵自由發揮的空間，使其能夠利用該項技術改善其日常任務的執行，藉此直接從使用者得到相關裝備的重要經驗回饋。例如，法國海軍陸戰隊第9輕裝甲旅（La 9e brigade d’infanterie de marine）在2020年2月13日到15日舉辦「3D列印黑客松」（Hackathon MILI 3D）競賽，目的在48小時的賽程中利用3D列印技術解決部隊日常運作所遭遇的問題，最終由74位基層士官兵組成的不同團隊提出了超過54種的產品試驗計畫。[3]
參、趨勢研判
一、前線後勤維修將成為3D列印的主要應用場域
法國許多武器系統存在妥善率偏低的問題。如以法軍轄下的直升機為例，其妥善率在2018年平均僅有36%，其中一個主要原因為繁重的海外任務導致零組件損壞頻繁，待料時間過長所導致。由於3D列印的產品從組件設計、材料選擇到製造進行都可以在作戰現場完成，將可解決海外維修零組件調撥不易的問題，這將使得簡單且體積較輕巧的3D列印機大量應用在海外任務中。如表1所示，包括法國海軍的定期遠航任務與各軍種的海外行動，均有使用3D列印作為後勤保修支援的紀錄。
表、法國軍方近期使用3D列印技術情況
|
年度 |
任務與行動名稱 |
涉及國家/地區 |
使用單位 |
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2019 |
貞德（mission Jeanne d’Arc） |
地中海、東非、大西洋、加勒比海 |
兩棲攻擊艦迪克斯穆德號（Dixmude） |
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2020 |
福煦 (mission Foch) |
地中海與北大西洋 |
航空母艦戴高樂號 |
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2020 |
新月形沙丘（Opération Barkhane） |
馬利 |
沙漠後勤戰術小組、第13後勤支援基地（La 13e BSMAT） |
|
2020 |
新月形沙丘 |
查德 |
布爾日軍事學院（École militaire de Bourges） |
資料來源：洪瑞閔整理自公開資料。
二、檢驗標準與品質強化將是3D列印軍事應用的關鍵門檻
儘管3D列印在後勤維修上已有不錯表現，然而其仍有諸多缺陷有待克服。在經濟面向上，3D列印的設備成本仍相對昂貴，一台工業用3D列印機的平均售價超過1萬美元，使其不易在各單位普及化。[4] 在技術面向上，3D列印所生產的零組件與傳統工法相比，在適航性與其他品質認證標準上仍有所不足，除了尚未制定檢驗標準外，長時間使用的穩定性也有待強化，尚無法應用在關鍵的核心組件上。因此，在材料科學尚未突破的情況下，3D列印將扮演短期任務中非結構件維修的補充性角色為主。
三、新技術將帶動創新並節約維修成本
3D列印技術的應用使部隊基層能夠參與技術創新與帶來經濟效益。例如，近日由美國空軍第100空中加油聯隊（100th Air Refueling Wing）士官利用3D列印技術所研發，單件成本15美元的燃油箱檢漏裝置能夠節約75%的時間，可以在一年內節省相當150萬美元的人力工時成本。[5] 因此，透過包括3D列印在內等新技術的導入，基層士官兵的創新潛力將日益受到重視。法國陸軍最近即在內部各單位成立「簡化－創新－數位協調網絡」（réseau de référents simplification-innovation-numérique, RSIN），目標在於獲取基層的針對新技術使用的創新想法，將之進一步發展並成熟化。
[1]Mélanie R.,“Des Rafale de la Marine nationale s’équipent de pièces imprimées en 3D,” 3Dnatives, March 3, 2020, https://www.3dnatives.com/rafale-marine-nationale-impression-3d-03032020/.
[2]Anne-Claire Pérédo,“Vers une maintenance modernisée,” Publication Armée de Terre, February, 2020, https://en.calameo.com/books/0000633021b0a217626a0/.
[3]Laurent Lagneau,“La 9e Brigade d’Infanterie de Marine planche sur les applications de l’impression 3D pour les combattants,” opex360.com, February 16, 2020, http://www.opex360.com/2020/02/16/la-9e-brigade-dinfanterie-de-marine-planche-sur-les-applications-de-limpression-3d-pour-les-combattants/.
[4]Rachael Bartels,“3D printing: reshaping the mining landscape,” Mining Magazine, November 17, 2016, https://www.miningmagazine.com/sustainability/news/1263820/3d-printing-reshaping-mining-landscape.
[5]Christopher Dennis,“Airman’s $15 invention could save the Air Force millions,” Stars and Stripes, March 5, 2020, https://www.stripes.com/news/europe/airman-s-15-invention-could-save-the-air-force-millions-1.621344/.