先進技術保護航空增材制造數字線索的安全

盧志軍 劉亞威

當前業界對于增材制造技術的使用還屬于初級階段，關注較多的是材料、適用范圍等，但由于增材制造技術十分依賴數字文件和通信網絡，大量的產品設計和制造的數字線索會在網絡上流通，因此保障產品數字線索信息的安全變得十分重要。除加強網絡安全以外，在產品部件的設計和生產文件本身添加安全識別信息也是保護產品信息的重要手段。

2018年5月，波音宣布將部署云服務技術，在設計和制造階段安全地管理和傳輸增材制造數據，保護知識產權，防止數據被攔截、損壞或解密。無獨有偶，穆格在4月也推出了跟蹤增材制造零件的區塊鏈系統。GE則于6月獲得了一項使用區塊鏈技術跟蹤和確認增材制造零件的專利。近年來，制造中的賽博安全越來越為美國國防部和航空制造商所關注，增材制造因其全數字化的設計制造流程和網絡化、分布式生產的特性，安全隱患尤其突出。

目前，業界已經開發出多項先進技術，以保護航空零件增材制造數字線索的安全。

航空零件增材制造數字線索面臨嚴重賽博安全隱患

2017年5月，美國參議院軍事委員會發布報告稱，在國防部供應鏈中發現超過100萬個疑似假冒零件。這些假冒零件因為價格低并且與真品幾乎無差別，繞過了嚴格的測試和認證，進入了供應鏈。增材制造的廣泛應用將使航空零件假冒風險更為嚴峻，增材制造存在于數字與物理世界的交匯點，這就意味著：一方面，航空制造商在應用增材制造時要保護自己的數字資產;另一方面，在整個生產流程的數字和物理對象中，賽博安全隱患無處不在。

增材制造供應鏈重度依賴數字文件、網絡連接和數字通信，增材制造過程中會產生大量與產品設計和制造流程有關的數據，繼而在產品生命周期中產生一系列信息，其中有許多都是敏感信息。

航空零件增材制造的數字線索從設計階段一直延伸到制造階段和產品交付，甚至還會延續到產品使用和退役。在一個增材制造零件的整條數字線索中，存在多個（甚至可能有無限個）外部人員可以與零件及其數字文件交互的接觸點。

因此，賽博安全隱患存在于增材制造數字線索的每個階段，數據和信息可能被別有用心者攔截、損壞或解密，導致產品故障、侵犯知識產權、產生假冒零件等許多傳統生產流程不曾遇到的威脅。而且，賽博安全隱患會影響供應鏈上各個環節的參與方，包括供應商、制造設備所有者、產品采購者、分銷商以及用戶，這就使得開發全面的賽博安全措施難上加難。

業界開發多項先進技術保護航空零件增材制造數字線索的安全

以往，保護增材制造知識產權的傳統方式是加強網絡安全防護，以及在三維CAD文件中加入授權請求，不過這往往不足以防止許多形式的竊取發生。近年來，業界開發并驗證了一系列新技術，包括化學指紋技術、缺陷植入技術、云服務技術以及當下最熱門的區塊鏈技術等，與加強網絡安全一起共同保衛數字信息的安全。

化學指紋技術

知識產權保護專業公司InfraTrac開發了一種化學指紋技術，在零件增材制造過程中，通過在金屬或聚合物的打印材料表面下層植入一個化學標簽，為增材制造零件增加相當于指紋的驗證碼?；瘜W標簽選擇與零件材料相兼容的配方，由公司與用戶共同測試以確保不會影響零件性能?；瘜W標簽的位置和配方對公司和用戶之外保密，操作員可在任何時間通過手持的近紅外光譜儀掃描標簽，以鑒別組件在哪里和被誰制造。

2016年8月，InfraTrac公司與賓夕法尼亞州立大學的先進研究實驗室和直接數字沉積材料創新加工中心完成了基于Ti6A14V鈦合金的研究，團隊利用Optomec公司3D打印機增材制造了若干鈦合金零件，在鈦合金粉末逐層沉積過程中，通過打印機特有的雙粉末給料噴嘴，在每個零件的不同位置和不同沉積層植入一個化學標簽。這些零件由馬里蘭大學先進生命周期工程中心使用X射線分光光度計進行了測試，在所有零件中都成功探測到了標簽。為此，美國國防部牽頭組建的國家增材制造創新中心為該公司頒發了“2016年度小企業增材制造挑戰優勝獎”。

缺陷植入技術

紐約大學研究人員開發了一項缺陷植入技術，通過向CAD文件中植入基于條件的缺陷標簽，以阻止制假者使用竊取的設計文件非法制造盜版零件。當把一個CAD文件轉換為增材制造設備可識別的文件時，制造商需要定義一些參數，諸如沉積速度、三角形/多邊形測量參數以及打印方向。制假者必須知道精準的零件參數，才能完全按照設計完成打印，否則會出現幾乎無法被探測到的特定缺陷。2018年7月，研究人員又提出了一種由二維碼擴展為三維像素云的缺陷標簽，使增材制造出的零件帶有按像素云排列的微細缺陷，只有從正確的方向掃描才能識別到唯一的源二維碼以讀取零件信息，從而防止制假者對其進行逆向工程掃描。通過對多種航空級材料、增材制造技術以及像素云分布構型進行力學試驗，研究人員證實了這些缺陷幾乎不會影響結構完整性和強度性能。

云服務技術

以色列Assembrix公司利用云服務技術開發的“虛擬制造空間”軟件可實現增材制造的虛擬化，即根據特定的零件尺寸，實時地將可用的增材制造設備資源分配給眾多客戶以生產其產品?；谠频姆湛稍诜峙淙蝿眨òl送設計文件等信息）和制造過程中，防止客戶的數據被攔截、損壞或解密。2018年5月，波音宣布在其全球20家工廠的增材制造生產中部署該技術，監管從初始零件模型到已確認物理零件的整個增材制造數字線索，以面向內部用戶或外部客戶分配并監控增材制造設備，從而讓整個設計和制造過程實現全面自動化與可控，提高設備利用率和波音的投資回報率。

區塊鏈技術

區塊鏈技術是保護增材制造供應鏈網絡和知識產權的最新方法。全球信息技術公司Wipro認為該技術在航空增材制造領域潛力巨大，并且開發了4個基于區塊鏈的解決方案用于反制假、適航取證跟蹤、供應鏈可視化以及實物制造。增材制造的數字文件、產品、認證、包裝和交付等都要在一個區塊鏈注冊機上注冊，并在供應鏈所有合作伙伴之間傳遞時更新狀態信息，以簡化業務流程、增加透明度并降低風險。Wipro公司表示，某航空制造商已經受益于其區塊鏈系統統一解決方案，

2017年5月，美國海軍測試了一個區塊鏈系統以管理其增材制造設備并跟蹤零件的數字線索，首個對象是F/A-18艦載機，當F/A-18的起落架零件在航母上發生損壞時，需要在保護波音知識產權的同時利用增材制造生產備件，區塊鏈技術將提供解決方案。如果海軍的零件管理系統能夠采用區塊鏈分類記賬，航母上的增材制造設備就可以安全地記錄每個生產的零件，并且向波音支付相應專利費。這樣不僅可以保護波音公司的知識產權，而且還可以優化供應鏈，讓海軍在需要時直接生產所需零件而無需訂購一個完整的起落架組件，從而減少空閑庫存，提升前線作戰能力。

2018年4月，穆格公司推出了采用區塊鏈技術，以數字化手段管理供應鏈的VeriPart解決方案，并與新加坡科技宇航公司共同在增材制造上進行了驗證。VeriPart可支撐建立一個安全且可跟蹤的數字化供應鏈，在分布式網絡上提供每個增材制造零件的來源，使零件的所有信息都能通過區塊鏈技術同步到產品生命周期各個階段，每筆交易都記錄在共享的分布式賬本中，支持授權交易查詢和信息追溯。為保護制造階段的數據交換安全，VeriPart通過區塊鏈建立起信任機制，根據給定分布式制造網絡中各成員間的信任級別，對每個交易環節可能遭到的安全威脅進行評估，并且在必要時采取防范措施。為進一步測試和提升VeriPart與美國國防部增材制造系統的集成，在一個安全的環境中評估區塊鏈技術對老舊零件增材制造以及數字化供應鏈的適應性，穆格還與美國國家制造科學中心簽訂了為期18個月的項目，通過微軟Azure平臺對VeriPart進行驗證。項目成果將用于國防后勤局、海軍航空系統司令部、懷特帕特森空軍基地等軍方機構，有助于減少作戰人員的后勤負擔，提高戰備完好性。

2018年6月，GE獲得了一項名為“實施制造歷史分布式分類記賬的手段和系統”的專利。專利提出了一種增材制造系統控制裝置，可以讀取包含了制造設備控制指令的制造文件;可以接收指示特定批次制造媒介的材料標識符;可以通過一個分布式分類賬本確認制造文件和材料標識符的正確性，以驗證制造文件生成者或特定批次制造的媒介源頭;可以利用制造文件控制制造設備以使用特定批次制造媒介生產零件;零件完成生產后，生成已制造零件的一個交易信息放入分布式分類賬本，指示制造文件生成者或特定批次制造媒介源頭確認結果。GE航空近年來大舉投資增材制造技術和設備，這項專利將使其增材制造過程和供應鏈更加安全可控。

結束語

近年來，航空業正越來越多地采用增材制造完成關鍵零部件生產，這一全數字化的設計和制造方法所存在的賽博安全風險也越來越為軍方用戶和航空制造商所重視。業界已經開發出了基于物理、化學和網絡的諸多先進技術來保護航空增材制造數字線索的安全，這將進一步推進增材制造在航空領域的應用，加快未來航空研制生產模式的變革。