【威视点•制造创新】增材制造（3D打印）——“美国制造，美国能行！”
“美国制造，美国能行！”
《空天防务观察》已先后推出4期我中心青年学者、知名制造技术研究专家刘亚威先生的“威视点·制造创新”专栏，主题分别是“美国数字制造与设计创新机构助力美国智能制造”（2月16日）、“非热压罐成形技术用于MS-21机翼主承力构件生产”（2月23日）、“热塑性复合材料加速进入民机主承力结构”（2月25日）和“轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔”（2月27日）。
本期，刘亚威先生再次为我们撰写深度专栏文章。本期主角是美国国家增材制造（即3D打印）创新机构（现名“美国制造”），该机构由美国国防部牵头建立，成员包括波音、洛克希德•马丁、诺斯罗普•格鲁门、雷神、通用动力、通用电气、穆格、3D系统公司、Stratasys公司、ExOne公司、Sciaky公司等。
重要事件：2015年2月，该机构发布2015新版项目指南，涉及增材制造设计、增材制造材料、增材制造工艺、增材制造价值链、增材制造基因组这5个技术领域。
一、“美国制造”机构由来与现状
2012年3月，作为“振兴制造业”战略的重要一环，美国政府宣布启动“国家制造创新网络”计划，该计划由先进制造国家项目办公室协同国防部、能源部、航空航天局、商务部以及国家科学基金等联邦政府部门共同负责实施，以公私合营的方式，建设15~45家“制造创新机构”，形成覆盖全美的制造创新网络。
2012年8月16日，首家创新机构“国家增材制造创新机构”（NAMII）由国防部牵头组建成立，负责管理该机构的是国防制造与加工中心。该机构主要通过技术联合创新，加速美国增材制造能力的发展，将更高生产率和合格率更高的增材制造工艺广泛应用到军民用产品中。2013年12月，为了扩大其影响力，机构更名为“美国制造”。该机构目前拥有超过120家成员，包括波音、洛克希德•马丁、诺斯罗普•格鲁门、雷神、通用动力、通用电气、穆格、3D系统公司、Stratasys公司、ExOne公司、Sciaky公司、美铝、RTI国际金属、PTC、MAYA等企业、政府机构、院校、研究所和商业组织。
作为具有试点性质的首家制造创新机构，“美国制造”在短短两年多内取得了瞩目的成绩，提出了技术路线图，支持了众多成员间广泛合作的增材制造技术开发项目，举办和赞助了一系列增材制造相关的全国性活动。美国国防部在其中担当了重要角色，除了国防制造与加工中心直接负责管理外，创新机构下设的技术咨询委员会主要由来自国防部长办公室等部门的政府技术官员组成，在技术路线、战略愿景、项目选择和评审、教育与人才开发等方面提供建议。因此，“美国制造”提出的项目方向，都具有深刻的国防背景。
二、5大技术领域提升增材制造技术与制造成熟度
2015年2月27日，“美国制造”发布了新版的增材制造应用研究与开发项目指南。指南重点关注5个影响最显著的技术领域，这些领域是在创新机构举办的技术投资策略会上由与会成员和技术咨询委员会共同确定的。这5个技术领域分别是增材制造设计、增材制造材料、增材制造工艺、增材制造价值链、增材制造基因组。具体包括：
1、增材制造设计
该领域的发展目标是在新的通用设计方法和工具方面实现技术提升，在增材制造零件上打破传统的设计路线，使设计文化发生变革。针对机构制定的技术路线图中各节点设定的水平，提出缩小差距的解决方案，避免受当前常规制造工艺中CAD/CAM/CAE/PLM工具和设计经验局限的约束。
当前的产品设计方法是为常规制造工艺（如加工、铸造、模塑、复合材料铺层、电子表面安装等）而优化的，无法充分实现增材制造下的设计自由度，体现不出其优势。因此，需要为增材制造零件寻找新的设计方法，全面探索这种技术的优势。领域的重点将是开发新的产品和工艺通用设计方法，让大中小企业都能采纳增材制造技术，并且得以高效利用，实现跨供应链的快速创新。
2、增材制造材料
该领域的目标是围绕增材制造性能表征数据基准，构建知识体系，消除成品材料性能的波动。也就是构建一个范本，以微尺度层面上对增材制造工艺的物理学控制，代替现有的工艺参数和成品微结构控制，完全按照设计实现一致的、可重复的产品微结构和性能。
当前的增材制造工艺和产品零件性能是以一种特定的方式表征的，导致相关数据集不一致、不完整，性能大范围波动、变化不定。因此，需要将相关规范标准化，减少原材料的性能波动；同时，建立更严格的工艺方法和操作指南，更好地实现对增材制造工艺的物理学控制，以完全实现设计的微结构，减少成品材料性能的波动。领域的重点将是开发开源的原材料规范，适应各种机床；开发标准化的后处理指南，比如金属零件的热处理和热等静压，以减少性能波动。
3、 增材制造工艺
该领域的目标是提升增材制造机床的速度、精度和细节分辨率，并且能够适应更大批量的生产，同时提升产品零件质量。这就需要开发 “机床级”增材制造工艺性能提升所需的关键技术和相关子系统，与柔性制造系统相类似。这些技术和子系统包括诸如多轴、多功率激光数控子系统，工艺温度梯度控制子系统，以及连续式生产设备等。
当前的增材制造工艺能力存在局限，让很多零件没法在满足经济性的条件下实现批量生产，而且经常需要进行二次后处理，才能达到常规生产方法下的零件特征。因此，需要在许多“机床级”技术方面进行提升，让增材制造从一个主要用于制作快速原型的技术变为一个生产型技术。领域的重点将是开发一系列技术，加速并优化材料的沉积、熔化/烧结/挤压和凝固过程，并且对这些过程进行物理学控制，以提升工艺能力。
4、增材制造价值链
该领域的目标是逐渐降低端到端价值链成本，缩短增材制造产品的上市时间。研究包括快速合格鉴定/认证方法，以及从全盘角度，在整个产品（从摇篮到摇篮）寿命周期中集成相关技术。这些技术已经在国防部制造技术计划的先进制造企业投资科目中被确认为构建单一集成数字线的首要重点，它们可以帮助确定工人所需技能，比如提升生产率的设计辅助手段和计算机程序。这些技术还能够凸显面向快速设计与检测的新技术需求。
当前的增材制造技术开发工作面向的是价值链上和产品寿命周期中的单个元素，而且开发采用分段的方式，没有使用一种整体的、系统集成的方法来降低成本、缩短周期。因此，需要开发一系列使能技术，更好地将增材制造价值链和产品寿命周期所有元素集成到一起。而且，要认识到随着更复杂的三维梯度材料和多种材料部件的开发，设计和检测将会成为新的瓶颈。领域的重点将是面向整个寿命周期和价值链，开发和集成经济可承受的增材制造技术，降低增材制造零件的总成本，缩短上市时间。
5、增材制造基因组
该领域的目标是针对用于增材制造的新材料设计、开发与合格鉴定，逐渐降低其成本、缩短其时间。这包括开发新计算方法，比如基于物理的、模型辅助的材料性能预测工具；开发验证计算预测方法所需的通用基准数据集；针对增材制造的每个新材料-工艺组合，开发材料性能表征的新概念，打破设计容许值的传统开发路线。
当前的材料开发、表征与合格鉴定方法大都是基于经验的和按属性连续进行的，这样就造成开发和鉴定新增材制造材料与工艺需要一定的成本、时间和风险，阻碍了大规模的技术推广与植入。因此，需要开发新的基于计算的范本，以基因组移动染色体的方式，进行产品和工艺的并行开发，从根本上促进新材料发现、开发和合格鉴定，降低成本并且缩短周期。领域的重点将复制美国早前推出的“国家材料基因组计划”，让新增材制造材料开发和鉴定的时间和成本都减少一半。
早在2011年，美国防务分析研究所就认为增材制造技术的发展应该在过程改进、速度提升、质量控制和材料发掘这4个方向上进行努力，而政府和工业界也应该重视这项技术的商业化。“美国制造”的组建与此结论完全契合，这次提出的5个领域，聚焦了增材制造的设计、材料、工艺、合格鉴定/认证以及基于知识的开发，可以说是涵盖了上述4个方向，并且已经跳出了制造，开始考虑颠覆当前产品设计以及改变传统设计流程上来。而且，按照制造创新机构的使命，这些领域的目标也都是朝着提升增材制造的技术成熟度和制造成熟度而去的，目标的完成必将大幅提升美国增材制造的创新能力和工业基础。
三、指南发布对美国增材制造技术发展普及意义重大
按照国家制造创新网络的设计，“美国制造”主要承担了以下四项任务：（1）解决增材制造技术的工程化难题，降低商业化风险和成本；（2）探索一条高效、可持续的“创新-商业化-生产”发展途径；（3）鼓励中小企业在制造上实施创新，并且鼓励它们在生产中应用新技术；（4）培育先进制造技术人才，提高工人技能水平。这份指南的发布正是“美国制造”推动增材制造技术深入美国工业和经济发展的重要一环。
机构运营主任、洛克希德•马丁公司先进制造系统与原型部前高级经理Rob Gorham表示：“这份指南是该机构做出的一个重要投资。通过这份指南，以及空军研究实验室新近启动的项目招标，‘美国制造’将马上获得超过6800万美元的国有和私有资金，用于提升美国增材制造的水平。”
机构负责技术发展的副主任、国防制造与加工中心项目主管John Wilczynski表示：“项目指南兑现了‘美国制造’提升增材制造关键技术成熟度的承诺，必将进一步促进成员之间的知识聚集，从而大幅提升美国的增材制造产业。”
“美国制造”运行模式的一个亮点是在政府主导下集中跨部门、跨行业的优势资源，并且充分强调共享，各成员可以就增材制造相关的设计工具、加工设备、认证手段以及成本核算方法等方面的信息进行交流和共享。两年来，该机构充分利用现有条件和能力，以及政府出资新建或改建的三个分布式制造技术支持中心，帮助企业成员接触和利用已有项目成果以及尖端的设备和工程能力。此外，该机构还组织了各种技能教育和培训，推广应用新技术成果。这些模式是我国实施科技创新时应考虑的，而且欣喜的是，近期的相关科技创新体制改革也正是按照这个套路来进行的。
（航空工业发展研究中心 刘亚威）
作者简介：
刘亚威，航空工业发展研究中心青年学者，国防制造创新问题研究专家，足迹遍布全球几十个国家，对国外先进制造技术、智能制造、制造成熟度等有深入研究与独到见解。
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