美國(guó)發(fā)布2015年3D打印創(chuàng)新指南，中國(guó)汗顏啊

3D打印的發(fā)展歷程有30多年了，但真正開始進(jìn)入公眾視野的是在2012年，南極熊3D打印網(wǎng)也就是2012年上線，當(dāng)時(shí)有一句夢(mèng)想：為3D打印發(fā)燒而生。后來，3d打印還真的越來越發(fā)燒了。事實(shí)上，3D打印的燃燒，是美國(guó)點(diǎn)起的。下面讓我們來一起看看美國(guó)3D打印的發(fā)展規(guī)劃，以及美國(guó)發(fā)布的2015年3D打印創(chuàng)新指南。在這方面，中國(guó)與美國(guó)對(duì)比，真是“高佬摔跤——差得遠(yuǎn)啊”。

一、“美國(guó)制造”機(jī)構(gòu)由來與現(xiàn)狀

2012年3月，作為“振興制造業(yè)”戰(zhàn)略的重要一環(huán)，美國(guó)政府宣布啟動(dòng)“國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃，該計(jì)劃由先進(jìn)制造國(guó)家項(xiàng)目辦公室協(xié)同國(guó)防部、能源部、航空航天局、商務(wù)部以及國(guó)家科學(xué)基金等聯(lián)邦政府部門共同負(fù)責(zé)實(shí)施，以公私合營(yíng)的方式，建設(shè)15~45家“制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)”，形成覆蓋全美的制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。

2012年8月16日，首家創(chuàng)新機(jī)構(gòu)“國(guó)家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)”（NAMII）由國(guó)防部牽頭組建成立，負(fù)責(zé)管理該機(jī)構(gòu)的是國(guó)防制造與加工中心。該機(jī)構(gòu)主要通過技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新，加速美國(guó)增材制造能力的發(fā)展，將更高生產(chǎn)率和合格率更高的增材制造工藝廣泛應(yīng)用到軍民用產(chǎn)品中。2013年12月，為了擴(kuò)大其影響力，機(jī)構(gòu)更名為“美國(guó)制造”。該機(jī)構(gòu)目前擁有超過120家成員，包括波音、洛克希德•馬丁、諾斯羅普•格魯門、雷神、通用動(dòng)力、通用電氣、穆格、3D系統(tǒng)公司、Stratasys公司、ExOne公司、Sciaky公司、美鋁、RTI國(guó)際金屬、PTC、MAYA等企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)、院校、研究所和商業(yè)組織。

國(guó)家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)贊助2013年FIST機(jī)器人挑戰(zhàn)賽

         作為具有試點(diǎn)性質(zhì)的首家制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，“美國(guó)制造”在短短兩年多內(nèi)取得了矚目的成績(jī)，提出了技術(shù)路線圖，支持了眾多成員間廣泛合作的增材制造技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，舉辦和贊助了一系列增材制造相關(guān)的全國(guó)性活動(dòng)。美國(guó)國(guó)防部在其中擔(dān)當(dāng)了重要角色，除了國(guó)防制造與加工中心直接負(fù)責(zé)管理外，創(chuàng)新機(jī)構(gòu)下設(shè)的技術(shù)咨詢委員會(huì)主要由來自國(guó)防部長(zhǎng)辦公室等部門的政府技術(shù)官員組成，在技術(shù)路線、戰(zhàn)略愿景、項(xiàng)目選擇和評(píng)審、教育與人才開發(fā)等方面提供建議。因此，“美國(guó)制造”提出的項(xiàng)目方向，都具有深刻的國(guó)防背景。

二、5大技術(shù)領(lǐng)域提升增材制造技術(shù)與制造成熟度

         2015年2月27日，“美國(guó)制造”發(fā)布了新版的增材制造應(yīng)用研究與開發(fā)項(xiàng)目指南。指南重點(diǎn)關(guān)注5個(gè)影響最顯著的技術(shù)領(lǐng)域，這些領(lǐng)域是在創(chuàng)新機(jī)構(gòu)舉辦的技術(shù)投資策略會(huì)上由與會(huì)成員和技術(shù)咨詢委員會(huì)共同確定的。這5個(gè)技術(shù)領(lǐng)域分別是增材制造設(shè)計(jì)、增材制造材料、增材制造工藝、增材制造價(jià)值鏈、增材制造基因組。具體包括：

1、增材制造設(shè)計(jì)

該領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)是在新的通用設(shè)計(jì)方法和工具方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)提升，在增材制造零件上打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)路線，使設(shè)計(jì)文化發(fā)生變革。針對(duì)機(jī)構(gòu)制定的技術(shù)路線圖中各節(jié)點(diǎn)設(shè)定的水平，提出縮小差距的解決方案，避免受當(dāng)前常規(guī)制造工藝中CAD/CAM/CAE/PLM工具和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)局限的約束。
當(dāng)前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是為常規(guī)制造工藝（如加工、鑄造、模塑、復(fù)合材料鋪層、電子表面安裝等）而優(yōu)化的，無法充分實(shí)現(xiàn)增材制造下的設(shè)計(jì)自由度，體現(xiàn)不出其優(yōu)勢(shì)。因此，需要為增材制造零件尋找新的設(shè)計(jì)方法，全面探索這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。領(lǐng)域的重點(diǎn)將是開發(fā)新的產(chǎn)品和工藝通用設(shè)計(jì)方法，讓大中小企業(yè)都能采納增材制造技術(shù)，并且得以高效利用，實(shí)現(xiàn)跨供應(yīng)鏈的快速創(chuàng)新。

2、增材制造材料

該領(lǐng)域的目標(biāo)是圍繞增材制造性能表征數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，構(gòu)建知識(shí)體系，消除成品材料性能的波動(dòng)。也就是構(gòu)建一個(gè)范本，以微尺度層面上對(duì)增材制造工藝的物理學(xué)控制，代替現(xiàn)有的工藝參數(shù)和成品微結(jié)構(gòu)控制，完全按照設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一致的、可重復(fù)的產(chǎn)品微結(jié)構(gòu)和性能。

當(dāng)前的增材制造工藝和產(chǎn)品零件性能是以一種特定的方式表征的，導(dǎo)致相關(guān)數(shù)據(jù)集不一致、不完整，性能大范圍波動(dòng)、變化不定。因此，需要將相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化，減少原材料的性能波動(dòng)；同時(shí)，建立更嚴(yán)格的工藝方法和操作指南，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)增材制造工藝的物理學(xué)控制，以完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)，減少成品材料性能的波動(dòng)。領(lǐng)域的重點(diǎn)將是開發(fā)開源的原材料規(guī)范，適應(yīng)各種機(jī)床；開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的后處理指南，比如金屬零件的熱處理和熱等靜壓，以減少性能波動(dòng)。

3、        增材制造工藝

該領(lǐng)域的目標(biāo)是提升增材制造機(jī)床的速度、精度和細(xì)節(jié)分辨率，并且能夠適應(yīng)更大批量的生產(chǎn)，同時(shí)提升產(chǎn)品零件質(zhì)量。這就需要開發(fā) “機(jī)床級(jí)”增材制造工藝性能提升所需的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)子系統(tǒng)，與柔性制造系統(tǒng)相類似。這些技術(shù)和子系統(tǒng)包括諸如多軸、多功率激光數(shù)控子系統(tǒng)，工藝溫度梯度控制子系統(tǒng)，以及連續(xù)式生產(chǎn)設(shè)備等。

當(dāng)前的增材制造工藝能力存在局限，讓很多零件沒法在滿足經(jīng)濟(jì)性的條件下實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，而且經(jīng)常需要進(jìn)行二次后處理，才能達(dá)到常規(guī)生產(chǎn)方法下的零件特征。因此，需要在許多“機(jī)床級(jí)”技術(shù)方面進(jìn)行提升，讓增材制造從一個(gè)主要用于制作快速原型的技術(shù)變?yōu)橐粋�(gè)生產(chǎn)型技術(shù)。領(lǐng)域的重點(diǎn)將是開發(fā)一系列技術(shù)，加速并優(yōu)化材料的沉積、熔化/燒結(jié)/擠壓和凝固過程，并且對(duì)這些過程進(jìn)行物理學(xué)控制，以提升工藝能力。

“美國(guó)制造”增材制造技術(shù)路線圖示意（1.0版本）

4、增材制造價(jià)值鏈

該領(lǐng)域的目標(biāo)是逐漸降低端到端價(jià)值鏈成本，縮短增材制造產(chǎn)品的上市時(shí)間。研究包括快速合格鑒定/認(rèn)證方法，以及從全盤角度，在整個(gè)產(chǎn)品（從搖籃到搖籃）壽命周期中集成相關(guān)技術(shù)。這些技術(shù)已經(jīng)在國(guó)防部制造技術(shù)計(jì)劃的先進(jìn)制造企業(yè)投資科目中被確認(rèn)為構(gòu)建單一集成數(shù)字線的首要重點(diǎn)，它們可以幫助確定工人所需技能，比如提升生產(chǎn)率的設(shè)計(jì)輔助手段和計(jì)算機(jī)程序。這些技術(shù)還能夠凸顯面向快速設(shè)計(jì)與檢測(cè)的新技術(shù)需求。

當(dāng)前的增材制造技術(shù)開發(fā)工作面向的是價(jià)值鏈上和產(chǎn)品壽命周期中的單個(gè)元素，而且開發(fā)采用分段的方式，沒有使用一種整體的、系統(tǒng)集成的方法來降低成本、縮短周期。因此，需要開發(fā)一系列使能技術(shù)，更好地將增材制造價(jià)值鏈和產(chǎn)品壽命周期所有元素集成到一起。而且，要認(rèn)識(shí)到隨著更復(fù)雜的三維梯度材料和多種材料部件的開發(fā)，設(shè)計(jì)和檢測(cè)將會(huì)成為新的瓶頸。領(lǐng)域的重點(diǎn)將是面向整個(gè)壽命周期和價(jià)值鏈，開發(fā)和集成經(jīng)濟(jì)可承受的增材制造技術(shù)，降低增材制造零件的總成本，縮短上市時(shí)間。

5、增材制造基因組

該領(lǐng)域的目標(biāo)是針對(duì)用于增材制造的新材料設(shè)計(jì)、開發(fā)與合格鑒定，逐漸降低其成本、縮短其時(shí)間。這包括開發(fā)新計(jì)算方法，比如基于物理的、模型輔助的材料性能預(yù)測(cè)工具；開發(fā)驗(yàn)證計(jì)算預(yù)測(cè)方法所需的通用基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集；針對(duì)增材制造的每個(gè)新材料-工藝組合，開發(fā)材料性能表征的新概念，打破設(shè)計(jì)容許值的傳統(tǒng)開發(fā)路線。

當(dāng)前的材料開發(fā)、表征與合格鑒定方法大都是基于經(jīng)驗(yàn)的和按屬性連續(xù)進(jìn)行的，這樣就造成開發(fā)和鑒定新增材制造材料與工藝需要一定的成本、時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)，阻礙了大規(guī)模的技術(shù)推廣與植入。因此，需要開發(fā)新的基于計(jì)算的范本，以基因組移動(dòng)染色體的方式，進(jìn)行產(chǎn)品和工藝的并行開發(fā)，從根本上促進(jìn)新材料發(fā)現(xiàn)、開發(fā)和合格鑒定，降低成本并且縮短周期。領(lǐng)域的重點(diǎn)將復(fù)制美國(guó)早前推出的“國(guó)家材料基因組計(jì)劃”，讓新增材制造材料開發(fā)和鑒定的時(shí)間和成本都減少一半。

早在2011年，美國(guó)防務(wù)分析研究所就認(rèn)為增材制造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該在過程改進(jìn)、速度提升、質(zhì)量控制和材料發(fā)掘這4個(gè)方向上進(jìn)行努力，而政府和工業(yè)界也應(yīng)該重視這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化�！懊绹�(guó)制造”的組建與此結(jié)論完全契合，這次提出的5個(gè)領(lǐng)域，聚焦了增材制造的設(shè)計(jì)、材料、工藝、合格鑒定/認(rèn)證以及基于知識(shí)的開發(fā)，可以說是涵蓋了上述4個(gè)方向，并且已經(jīng)跳出了制造，開始考慮顛覆當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程上來。而且，按照制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的使命，這些領(lǐng)域的目標(biāo)也都是朝著提升增材制造的技術(shù)成熟度和制造成熟度而去的，目標(biāo)的完成必將大幅提升美國(guó)增材制造的創(chuàng)新能力和工業(yè)基礎(chǔ)。

美國(guó)國(guó)防部增材制造技術(shù)路線圖（美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室）

三、指南發(fā)布對(duì)美國(guó)增材制造技術(shù)發(fā)展普及意義重大

按照國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，“美國(guó)制造”主要承擔(dān)了以下四項(xiàng)任務(wù)：

（1）解決增材制造技術(shù)的工程化難題，降低商業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)和成本；
（2）探索一條高效、可持續(xù)的“創(chuàng)新-商業(yè)化-生產(chǎn)”發(fā)展途徑；
（3）鼓勵(lì)中小企業(yè)在制造上實(shí)施創(chuàng)新，并且鼓勵(lì)它們?cè)谏�產(chǎn)中應(yīng)用新技術(shù)；
（4）培育先進(jìn)制造技術(shù)人才，提高工人技能水平。

這份指南的發(fā)布正是“美國(guó)制造”推動(dòng)增材制造技術(shù)深入美國(guó)工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要一環(huán)。

機(jī)構(gòu)運(yùn)營(yíng)主任、洛克希德•馬丁公司先進(jìn)制造系統(tǒng)與原型部前高級(jí)經(jīng)理Rob Gorham表示：“這份指南是該機(jī)構(gòu)做出的一個(gè)重要投資。通過這份指南，以及空軍研究實(shí)驗(yàn)室新近啟動(dòng)的項(xiàng)目招標(biāo)，‘美國(guó)制造’將馬上獲得超過6800萬美元的國(guó)有和私有資金，用于提升美國(guó)增材制造的水平�！�

機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)技術(shù)發(fā)展的副主任、國(guó)防制造與加工中心項(xiàng)目主管John Wilczynski表示：“項(xiàng)目指南兌現(xiàn)了‘美國(guó)制造’提升增材制造關(guān)鍵技術(shù)成熟度的承諾，必將進(jìn)一步促進(jìn)成員之間的知識(shí)聚集，從而大幅提升美國(guó)的增材制造產(chǎn)業(yè)。”

“美國(guó)制造”運(yùn)行模式的一個(gè)亮點(diǎn)是在政府主導(dǎo)下集中跨部門、跨行業(yè)的優(yōu)勢(shì)資源，并且充分強(qiáng)調(diào)共享，各成員可以就增材制造相關(guān)的設(shè)計(jì)工具、加工設(shè)備、認(rèn)證手段以及成本核算方法等方面的信息進(jìn)行交流和共享。兩年來，該機(jī)構(gòu)充分利用現(xiàn)有條件和能力，以及政府出資新建或改建的三個(gè)分布式制造技術(shù)支持中心，幫助企業(yè)成員接觸和利用已有項(xiàng)目成果以及尖端的設(shè)備和工程能力。此外，該機(jī)構(gòu)還組織了各種技能教育和培訓(xùn)，推廣應(yīng)用新技術(shù)成果。這些模式是我國(guó)實(shí)施科技創(chuàng)新時(shí)應(yīng)考慮的，而且欣喜的是，近期的相關(guān)科技創(chuàng)新體制改革也正是按照這個(gè)套路來進(jìn)行的。

（本文來自空天防務(wù)觀，微信號(hào)：AerospaceWatch，作者：劉亞威）