刘亚威 ¦ 美国国家增材制造创新机构的技术路线图和项目概览（上）

《空天防务观察》此前已先后推出16期我中心青年学者、知名制造技术研究专家刘亚威先生的独家专栏文章（详见本文最后的列表）。本期，刘亚威先生将为我们解读美国国家赠材制造创新机构的路线图和项目。对于这一主题内容，我们将分两期刊载。

2015年9月14日，国家增材制造创新机构发布了公开版的技术路线图，勾勒了未来5年的该机构乃至美国增材制造工业技术发展的路径。路线图包括设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组5个领域：

技术路线图领域层

设计。包含3个子方向：生物启发设计与制造，产品与工艺设计辅助手段/程序，成本与能耗因素分析/建模。旨在开发可共享的设计方法与工具，变革设计理念，使增材制造零件设计打破固有流程。设计领域要提出填补差距的解决方案，避免受到当前CAD/CAM/CAE/PLM工具和设计思维的约束，它们是为常规制造工艺开发的，因此从根本上存在局限。领域关注点和相关影响分析指标包括：复杂度开发，3D功能梯度材料，多材料集成，基于模型的检测，产品个性化与定制化。

设计子方向的成熟化需求

材料。包含3个子方向：“非特定”增材制造技术包，材料性能表征，下一代材料。旨在围绕增材制造性能表征基准，构建知识体系，消除成品材料性能的波动。材料领域要构建一个范本，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。领域关注点和相关影响分析指标包括：标准化的原材料，基准材料性能数据，“工艺-性能-结构”关系，工艺窗口边界定义，后处理指南与规范。

材料子方向的成熟化需求

工艺。包含3个子方向：多材料输送与沉积系统，下一代机床，工艺温度梯度控制。旨在提升增材制造机床的速度、精度和细节分辨率，并且适应大批量生产，提高成品零件质量。工艺领域要开发“机床级”工艺性能提升所需的关键技术和相关子系统，类似于柔性制造系统。领域关注点和相关影响分析指标包括：制造速度，精度，细节制造能力，表面质量，最大零件尺寸。

工艺子方向的成熟化需求

价值链。包含6个子方向：先进感知与探测手段，数字线集成，智能机床控制方法，快速检测技术，修理技术，标准/模式/协议。旨在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。价值链领域要开发快速合格鉴定/认证方法，以及从全盘角度，在整个产品寿命周期中集成相关技术，包括材料和产品可回收性。这一领域已经在国防部ManTech计划先进制造企业（AME）投资科目中被确认为构建单一集成数字线的首要关注点，可以帮助确认所需的工人技能和使能手段，以及凸显面向快速设计与检测的新技术需求，比如提高生产率的设计辅助手段和计算机程序。领域关注点和相关影响分析指标包括：工艺成本，原材料成本，质量控制成本，工人生产率成本，能量效率成本。

供应链子方向的成熟化需求

增材制造基因组。包含3个子方向：基准验证用户案例，模型辅助的性能预测，基于物理学的建模与仿真。旨在逐渐减少增材制造新材料设计、开发与合格鉴定所需的成本和时间。基因组领域要开发新的计算方法，比如基于物理学的和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。领域关注点和相关影响分析指标与美国国家材料基因组计划相似，包括：计算机辅助材料开发，模块化开放式仿真架构，访问透明化的材料性能数据，多尺度数据管理和共享，高效的材料性能表征方法。

增材制造基因组子方向的成熟化需求

五个子方向的成熟化需求

领域	子方向	成熟化需求
设 计	生物启发设计与制造	用于Ti-64合金直接金属激光烧结的蜂窝有限元分析技术模型
用于蜂窝结构的高效结构分析算法
成本与能耗因素分析/建模	Ti-64合金直接金属激光烧结工艺的生产成本建模
Ti-64合金电子束熔化工艺的生产成本建模
“摇篮到摇篮”寿命周期能耗建模
产品/工艺族能耗建模
产品与工艺设计辅助手段/程序	熔融沉积成形的ULTEM 9085工装设计指南
选区激光烧结的碳纤维增强静电释放聚醚酮酮拓扑优化指南
集成的增材制造和二次加工支持指南
熔融沉积成形的ULTEM 9085零件设计和制造路径指南
可连接CAD的专家设计顾问
基于规则的面向制造的设计（DFM）方法与算法
设计规范询问算法
工艺/材料/机床一致性的自动生成
推荐快速合格鉴定/认证手段的设计顾问
材 料	“非特定”增材制造技术包	Ti-64和Co-Cr的电子束熔化工艺验证工艺路线图
Ti-64和Co-Cr的直接金属激光烧结工艺验证工艺路线图
Ti-64和IN718的激光近净成形工艺窗口表征
面向超声无损检测的电子束定向能沉积的Ti-64微结构
材料性能表征	熔融沉积成形的ULTEM 9085 B基设计许用值
选区激光烧结的碳纤维增强静电释放聚醚酮酮B基设计许用值
选区激光烧结的聚醚酮酮表征
选区激光烧结的Cu表征
电子束熔化的Ti-64和Co-Cr给料与性能的关系
直接金属激光烧结的Ti-64和Co-Cr给料与性能的关系
电子束熔化的Ti-64和Co-Cr丝线给料对微结构的影响
直接金属激光烧结的Ti-64和Co-Cr丝线给料对微结构的影响
电子束熔化的Ti-64 B基设计许用值开发
下一代材料	选区激光烧结的碳纤维增强静电释放聚醚酮酮可回收性指南
低成本循环利用的Al材料规范
锻造工具耐磨涂层指南
生物相容/生物可吸收的黏合剂喷射Fe-Mn材料
材料可回收性指标
工 艺	多材料输送与沉积系统	3D梯度材料沉积控制
工艺温度梯度控制	工艺温度实时分析方法
下一代机床	模块化激光近净成形机床翻新系统
低成本循环利用的Al材料桌面打印机
微电感烧结试验台
高产出的Ni和Ti激光热丝线工艺
增材与减材混合系统
开源可编程逻辑控制架构
供 应 链	先进感知与探测手段	用于电子束熔化和激光近净成形工艺的多传感器热成像系统
热成像数据的3D可视化手段
激光粉末床熔融工艺缺陷的原位监测传感器试验台
激光粉末床熔融热塑性塑料的红外成像
数字线集成	面向增材与二次加工集成的基于模型的企业（MBE）的手段
“设计VS制造”公差的实时比较
智能机床控制方法	工艺路线图微结构控制算法
变形补偿控制算法
集成的增材与二次加工控制
激光粉末床熔融热塑性塑料的热成像控制
基于模型的闭环反馈控制算法
快速检测技术	逐层的3D质量认证
超合金激光粉末床熔融的原位质量保证手段
激光粉末床熔融的无损评估后检测
Ti和Ni合金的X射线CT无损检测程序
修理技术	H13模铸工装修理与翻新指南
激光粉末定向能零件修理方法
标准/图表/协议	国家标准与技术研究院的轮询调度协议
激光粉末床熔融工艺控制的开放协议
电子束定向能沉积的Ti-64超声无损检测协议
数据存储卡目录与族谱
工业专用合格鉴定/认证协议
第三方数据记录模板
共享数据的存储模式
增 材 制 造 基 因 组	基准验证用户案例	电子束定向能沉积的Ti-64超声无损检测试样
Ti和Ni合金的X射线CT无损检测参考试样
模型辅助的性能预测	集成计算材料工程和数据存储静态模型链接
基于物理学的建模与仿真	电子束熔化的Al材工艺建模
激光粉末床熔融的Al材工艺建模
直接金属激光烧结工艺数值仿真方法
激光近净成形的Ti-64 ABAQUS有限元分析设置脚本
激光粉末床熔融的Ni，Co和Ti变形建模

刘亚威先生此前已为《空天防务观察》提供16篇专栏文章，如下表所示：

序号	篇名	发表日期（2015）
1	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
2	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
3	热塑性复合材料加速进入民机主承力结构	2月25日
4	轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔	2月27日
5	增材制造（3D打印）——“美国制造，美国能行！”	3月11日
6	2014，美国国家制造创新网络雏形初现	4月8日
7	揭秘莫纳什大学增材制造中心——澳大利亚增材制造先锋	4月22日
8	美国通用电气公司“工业互联网”——两大革命共鸣下的智能制造新前景	5月27日
9	美国通用电气公司——高端增材制造技术的领军者	6月1日
10	“数字制造”VS“智能制造”	8月17日
11	你应知道的集成光子学和集成光子学制造创新机构	8月24日
12	波音采用创新技术制造NASA新概念飞机机身	9月28日
13	无人机复合材料结构低成本制造技术（节选）	10月9日
14	你应知道的柔性混合电子学和柔性混合电子学制造创新机构	10月14日
15	解读美国国家制造创新网络中制造创新机构的分级会员制	11月23日
16	德国“工业4.0”之“智慧工厂”计划	12月18日、21日和23日

以上文章引起了广泛关注和较大反响，有兴趣的读者可在本号中搜寻阅读。

（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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