美國發(fā)布2015年3D打印創(chuàng)新指南，中國汗顏啊

3D打印的發(fā)展歷程有30多年了，但真正開始進入公眾視野的是在2012年，南極熊3D打印網(wǎng)也就是2012年上線，當時有一句夢想：為3D打印發(fā)燒而生。后來，3d打印還真的越來越發(fā)燒了。事實上，3D打印的燃燒，是美國點起的。下面讓我們來一起看看美國3D打印的發(fā)展規(guī)劃，以及美國發(fā)布的2015年3D打印創(chuàng)新指南。在這方面，中國與美國對比，真是“高佬摔跤——差得遠啊”。

一、“美國制造”機構(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)，美國政府宣布啟動“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡”計劃，該計劃由先進制造國家項目辦公室協(xié)同國防部、能源部、航空航天局、商務部以及國家科學基金等聯(lián)邦政府部門共同負責實施，以公私合營的方式，建設(shè)15~45家“制造創(chuàng)新機構(gòu)”，形成覆蓋全美的制造創(chuàng)新網(wǎng)絡。

2012年8月16日，首家創(chuàng)新機構(gòu)“國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu)”（NAMII）由國防部牽頭組建成立，負責管理該機構(gòu)的是國防制造與加工中心。該機構(gòu)主要通過技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新，加速美國增材制造能力的發(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用到軍民用產(chǎn)品中。2013年12月，為了擴大其影響力，機構(gòu)更名為“美國制造”。該機構(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國際金屬、PTC、MAYA等企業(yè)、政府機構(gòu)、院校、研究所和商業(yè)組織。

國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu)贊助2013年FIST機器人挑戰(zhàn)賽

         作為具有試點性質(zhì)的首家制造創(chuàng)新機構(gòu)，“美國制造”在短短兩年多內(nèi)取得了矚目的成績，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)項目，舉辦和贊助了一系列增材制造相關(guān)的全國性活動。美國國防部在其中擔當了重要角色，除了國防制造與加工中心直接負責管理外，創(chuàng)新機構(gòu)下設(shè)的技術(shù)咨詢委員會主要由來自國防部長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、項目選擇和評審、教育與人才開發(fā)等方面提供建議。因此，“美國制造”提出的項目方向，都具有深刻的國防背景。

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，“美國制造”發(fā)布了新版的增材制造應用研究與開發(fā)項目指南。指南重點關(guān)注5個影響最顯著的技術(shù)領(lǐng)域，這些領(lǐng)域是在創(chuàng)新機構(gòu)舉辦的技術(shù)投資策略會上由與會成員和技術(shù)咨詢委員會共同確定的。這5個技術(shù)領(lǐng)域分別是增材制造設(shè)計、增材制造材料、增材制造工藝、增材制造價值鏈、增材制造基因組。具體包括：

1、增材制造設(shè)計

該領(lǐng)域的發(fā)展目標是在新的通用設(shè)計方法和工具方面實現(xiàn)技術(shù)提升，在增材制造零件上打破傳統(tǒng)的設(shè)計路線，使設(shè)計文化發(fā)生變革。針對機構(gòu)制定的技術(shù)路線圖中各節(jié)點設(shè)定的水平，提出縮小差距的解決方案，避免受當前常規(guī)制造工藝中CAD/CAM/CAE/PLM工具和設(shè)計經(jīng)驗局限的約束。
當前的產(chǎn)品設(shè)計方法是為常規(guī)制造工藝（如加工、鑄造、模塑、復合材料鋪層、電子表面安裝等）而優(yōu)化的，無法充分實現(xiàn)增材制造下的設(shè)計自由度，體現(xiàn)不出其優(yōu)勢。因此，需要為增材制造零件尋找新的設(shè)計方法，全面探索這種技術(shù)的優(yōu)勢。領(lǐng)域的重點將是開發(fā)新的產(chǎn)品和工藝通用設(shè)計方法，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，實現(xiàn)跨供應鏈的快速創(chuàng)新。

2、增材制造材料

該領(lǐng)域的目標是圍繞增材制造性能表征數(shù)據(jù)基準，構(gòu)建知識體系，消除成品材料性能的波動。也就是構(gòu)建一個范本，以微尺度層面上對增材制造工藝的物理學控制，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)計實現(xiàn)一致的、可重復的產(chǎn)品微結(jié)構(gòu)和性能。

當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，導致相關(guān)數(shù)據(jù)集不一致、不完整，性能大范圍波動、變化不定。因此，需要將相關(guān)規(guī)范標準化，減少原材料的性能波動；同時，建立更嚴格的工藝方法和操作指南，更好地實現(xiàn)對增材制造工藝的物理學控制，以完全實現(xiàn)設(shè)計的微結(jié)構(gòu)，減少成品材料性能的波動。領(lǐng)域的重點將是開發(fā)開源的原材料規(guī)范，適應各種機床；開發(fā)標準化的后處理指南，比如金屬零件的熱處理和熱等靜壓，以減少性能波動。

3、        增材制造工藝

該領(lǐng)域的目標是提升增材制造機床的速度、精度和細節(jié)分辨率，并且能夠適應更大批量的生產(chǎn)，同時提升產(chǎn)品零件質(zhì)量。這就需要開發(fā) “機床級”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)濟性的條件下實現(xiàn)批量生產(chǎn)，而且經(jīng)常需要進行二次后處理，才能達到常規(guī)生產(chǎn)方法下的零件特征。因此，需要在許多“機床級”技術(shù)方面進行提升，讓增材制造從一個主要用于制作快速原型的技術(shù)變?yōu)橐粋�生產(chǎn)型技術(shù)。領(lǐng)域的重點將是開發(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，并且對這些過程進行物理學控制，以提升工藝能力。

“美國制造”增材制造技術(shù)路線圖示意（1.0版本）

4、增材制造價值鏈

該領(lǐng)域的目標是逐漸降低端到端價值鏈成本，縮短增材制造產(chǎn)品的上市時間。研究包括快速合格鑒定/認證方法，以及從全盤角度，在整個產(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)在國防部制造技術(shù)計劃的先進制造企業(yè)投資科目中被確認為構(gòu)建單一集成數(shù)字線的首要重點，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)計輔助手段和計算機程序。這些技術(shù)還能夠凸顯面向快速設(shè)計與檢測的新技術(shù)需求。

當前的增材制造技術(shù)開發(fā)工作面向的是價值鏈上和產(chǎn)品壽命周期中的單個元素，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值鏈和產(chǎn)品壽命周期所有元素集成到一起。而且，要認識到隨著更復雜的三維梯度材料和多種材料部件的開發(fā)，設(shè)計和檢測將會成為新的瓶頸。領(lǐng)域的重點將是面向整個壽命周期和價值鏈，開發(fā)和集成經(jīng)濟可承受的增材制造技術(shù)，降低增材制造零件的總成本，縮短上市時間。

5、增材制造基因組

該領(lǐng)域的目標是針對用于增材制造的新材料設(shè)計、開發(fā)與合格鑒定，逐漸降低其成本、縮短其時間。這包括開發(fā)新計算方法，比如基于物理的、模型輔助的材料性能預測工具；開發(fā)驗證計算預測方法所需的通用基準數(shù)據(jù)集；針對增材制造的每個新材料-工藝組合，開發(fā)材料性能表征的新概念，打破設(shè)計容許值的傳統(tǒng)開發(fā)路線。

當前的材料開發(fā)、表征與合格鑒定方法大都是基于經(jīng)驗的和按屬性連續(xù)進行的，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、時間和風險，阻礙了大規(guī)模的技術(shù)推廣與植入。因此，需要開發(fā)新的基于計算的范本，以基因組移動染色體的方式，進行產(chǎn)品和工藝的并行開發(fā)，從根本上促進新材料發(fā)現(xiàn)、開發(fā)和合格鑒定，降低成本并且縮短周期。領(lǐng)域的重點將復制美國早前推出的“國家材料基因組計劃”，讓新增材制造材料開發(fā)和鑒定的時間和成本都減少一半。

早在2011年，美國防務分析研究所就認為增材制造技術(shù)的發(fā)展應該在過程改進、速度提升、質(zhì)量控制和材料發(fā)掘這4個方向上進行努力，而政府和工業(yè)界也應該重視這項技術(shù)的商業(yè)化�！懊绹�制造”的組建與此結(jié)論完全契合，這次提出的5個領(lǐng)域，聚焦了增材制造的設(shè)計、材料、工藝、合格鑒定/認證以及基于知識的開發(fā)，可以說是涵蓋了上述4個方向，并且已經(jīng)跳出了制造，開始考慮顛覆當前產(chǎn)品設(shè)計以及改變傳統(tǒng)設(shè)計流程上來。而且，按照制造創(chuàng)新機構(gòu)的使命，這些領(lǐng)域的目標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，目標的完成必將大幅提升美國增材制造的創(chuàng)新能力和工業(yè)基礎(chǔ)。

美國國防部增材制造技術(shù)路線圖（美國空軍研究實驗室）

三、指南發(fā)布對美國增材制造技術(shù)發(fā)展普及意義重大

按照國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡的設(shè)計，“美國制造”主要承擔了以下四項任務：

（1）解決增材制造技術(shù)的工程化難題，降低商業(yè)化風險和成本；
（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）鼓勵中小企業(yè)在制造上實施創(chuàng)新，并且鼓勵它們在生產(chǎn)中應用新技術(shù)；
（4）培育先進制造技術(shù)人才，提高工人技能水平。

這份指南的發(fā)布正是“美國制造”推動增材制造技術(shù)深入美國工業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的重要一環(huán)。

機構(gòu)運營主任、洛克希德•馬丁公司先進制造系統(tǒng)與原型部前高級經(jīng)理Rob Gorham表示：“這份指南是該機構(gòu)做出的一個重要投資。通過這份指南，以及空軍研究實驗室新近啟動的項目招標，‘美國制造’將馬上獲得超過6800萬美元的國有和私有資金，用于提升美國增材制造的水平�！�

機構(gòu)負責技術(shù)發(fā)展的副主任、國防制造與加工中心項目主管John Wilczynski表示：“項目指南兌現(xiàn)了‘美國制造’提升增材制造關(guān)鍵技術(shù)成熟度的承諾，必將進一步促進成員之間的知識聚集，從而大幅提升美國的增材制造產(chǎn)業(yè)�！�

“美國制造”運行模式的一個亮點是在政府主導下集中跨部門、跨行業(yè)的優(yōu)勢資源，并且充分強調(diào)共享，各成員可以就增材制造相關(guān)的設(shè)計工具、加工設(shè)備、認證手段以及成本核算方法等方面的信息進行交流和共享。兩年來，該機構(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目成果以及尖端的設(shè)備和工程能力。此外，該機構(gòu)還組織了各種技能教育和培訓，推廣應用新技術(shù)成果。這些模式是我國實施科技創(chuàng)新時應考慮的，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套路來進行的。

（本文來自空天防務觀，微信號：AerospaceWatch，作者：劉亞威）