● 文| 中國航天工程咨詢中心 孫紅俊

“美國制造”創(chuàng)新機構(gòu)路線圖尋求加速制造模式變革

● 文| 中國航天工程咨詢中心 孫紅俊

2015年9月，“美國制造”創(chuàng)新機構(gòu)發(fā)布“增材制造技術(shù)路線圖”，依據(jù)關鍵技術(shù)元素（CTE）成熟度演進過程，面向設計、材料、工藝、價值鏈以及材料基因組等五大領域，規(guī)劃提出2020年前增材制造技術(shù)的發(fā)展方向和25項發(fā)展重點，為“美國制造”未來技術(shù)發(fā)展和項目確立提供指南。

一、“美國制造”創(chuàng)新機構(gòu)基本情況

奧巴馬政府上臺以來，美國將發(fā)展先進制造業(yè)作為提升經(jīng)濟實力、確保全球競爭優(yōu)勢、滿足國防需求的重要戰(zhàn)略。

2012年3月，奧巴馬總統(tǒng)提出“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡”計劃，將投入10億美元的政府經(jīng)費，并吸引10億美元以上的社會資金，組建約15個聯(lián)盟式制造創(chuàng)新機構(gòu)。旨在舉全國之力，把全美的政府機構(gòu)、工業(yè)界、學術(shù)界及其他國家和地方組織集聚到一起，為基礎研究和產(chǎn)品開發(fā)搭建橋梁，幫助企業(yè)獲得尖端能力和設備，建立技能教育和培訓環(huán)境，加速整個國家的制造創(chuàng)新，確保美國先進制造的領先地位。

2012年8月，作為“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡”的首個試點，美國國防部牽頭組建國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu)，選定國家國防制造與加工中心作為負責單位，參與單位有波音、洛馬、諾格、通用電氣等40家企業(yè)，卡耐基梅隆大學、賓夕法尼亞州立大學等14所院校，美國制造技術(shù)協(xié)會、制造工程師協(xié)會等11個非營利機構(gòu)。2013年10月，國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu)更名為“美國制造”創(chuàng)新機構(gòu)（見圖1）。這表明美國將增材制造技術(shù)視為振興國家制造業(yè)的首要技術(shù)。

圖1 國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu)更名為“美國制造”

二、路線圖五大要點

1. 打破傳統(tǒng)設計模式，創(chuàng)新發(fā)展與增材制造相適應的新型設計方法

面向設計領域，針對面向機械加工、鑄造等常規(guī)制造模式的傳統(tǒng)設計方法所存在的自由度弱、跨供應鏈創(chuàng)新能力不強等問題，迫切需要探索新型設計方法，以滿足增材制造對設計自由度的需求，充分發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢。路線圖指出要深入探索傳統(tǒng)設計方法與增材制造對設計的需求之間的差距，提出填平方案，加速形成適用于大中小型企業(yè)的通用增材制造設計方法，實現(xiàn)跨供應鏈快速創(chuàng)新。未來發(fā)展重點包括面向增材制造的設計復雜度分析、三維功能梯度材料設計、多材料集成設計、基于模型的設計方案驗證以及產(chǎn)品個性化定制等。

2. 構(gòu)建增材制造材料性能表征數(shù)據(jù)知識體系，消除設計制造環(huán)節(jié)材料的性能波動

面向材料領域，針對設計與生產(chǎn)過程中存在的材料屬性表征數(shù)據(jù)集不一致、不完整等問題，迫切需要面向增材制造過程建立標準化的屬性表征模式、嚴謹?shù)墓に嚪椒ㄅc操作指南以準確把握原材料的基本物理特性，減少所設計微結(jié)構(gòu)與最終產(chǎn)品之間的性能差異。路線圖指出要創(chuàng)建一種新型知識管理范式，實現(xiàn)在微尺度層面對增材制造材料基本物理特性的有效管理，以替代傳統(tǒng)注重微結(jié)構(gòu)及其過程參數(shù)的管理模式，確保所制造的可重用微結(jié)構(gòu)材料性能與設計性能的一致。未來發(fā)展重點包括面向增材制造的原材料標準化描述、材料性能表征數(shù)據(jù)基準制定、工藝-材料性能-結(jié)構(gòu)關系描述、工藝過程邊界定義、后處理指南和規(guī)范制定等。

3. 著力發(fā)展高速度、高精度、高細節(jié)辨識力的增材制造裝備，提升大批量、高質(zhì)量生產(chǎn)能力

面向工藝領域，針對當前增材制造零部件大批量生產(chǎn)經(jīng)濟性不強、性能弱于常規(guī)生產(chǎn)產(chǎn)品等問題，迫切需要突破新型增材制造裝備技術(shù)，以推動增材制造從快速原型技術(shù)向生產(chǎn)型技術(shù)轉(zhuǎn)變。路線圖指出要重點研發(fā)增材制造裝備相關關鍵技術(shù)和子系統(tǒng)，以提升其工藝性能。未來發(fā)展重點包括增材制造裝備的加工速度、加工精度、細節(jié)辨識力、加工表面質(zhì)量以及最大加工尺寸等。

4. 突破增材制造價值鏈各環(huán)節(jié)壁壘，大幅降低產(chǎn)品研發(fā)成本、周期和市場化時間

面向價值鏈領域，針對日益復雜的三維梯度材料或多材料零部件研制所面臨的瓶頸問題，迫切需要突破貫穿價值鏈或產(chǎn)品全壽期的全面系統(tǒng)集成方法，以替代當前注重單個環(huán)節(jié)的離散研發(fā)模式，進而實現(xiàn)時間和成本的最優(yōu)化。路線圖指出要識別日益復雜的三維梯度材料和多材料零部件生產(chǎn)所引發(fā)的增材制造價值鏈設計和驗證環(huán)節(jié)的新瓶頸，研發(fā)貫穿價值鏈各環(huán)節(jié)以及產(chǎn)品研發(fā)全生命周期（包括原材料制備和產(chǎn)品回收）的系統(tǒng)集成方法等。未來發(fā)展重點包括貫穿增材制造價值鏈的產(chǎn)品加工成本、原材料成本、質(zhì)量控制成本、勞動力成本以及能源效率成本的優(yōu)化等。

圖2 “美國制造”增材制造技術(shù)路線圖

5. 加速研發(fā)適用于增材制造的新型計算材料方法，優(yōu)化材料研發(fā)周期與成本

面向材料基因組領域，針對新材料研發(fā)、表征與驗證過程過度依賴經(jīng)驗與屬性等問題，迫切需要研發(fā)新型計算模式，以實現(xiàn)材料“基本單元”的組裝，進而大幅度縮短周期、降低成本、減少風險。路線圖指出要聚焦研發(fā)計算材料方法（如基于物理模型的材料性能預測）及相應的性能預測通用基本數(shù)據(jù)集等。參照美國政府2014年“材料基因組計劃”，未來發(fā)展重點包括面向增材制造的計算機輔助材料研發(fā)、模塊化開放式材料仿真體系構(gòu)建、開放式材料性能數(shù)據(jù)庫訪問、多尺度材料數(shù)據(jù)管理與共享、高效的材料性能表征方法等。

三、結(jié)束語

“增材制造技術(shù)路線圖”（見圖2）對五大領域未來五年的發(fā)展重點及所對應關鍵技術(shù)進行系統(tǒng)規(guī)劃，并將2015年“美國制造”第三輪項目征集所發(fā)布的研發(fā)項目納入其中。其成功實施必將促進增材制造的跨行業(yè)知識共享與共性技術(shù)突破，加速制造模式變革，推動增材制造向主流制造方向轉(zhuǎn)變。

［1］Technology Roadmap，https://www.americamakes.us/ technology/techroadmap，2015.

［2］https://www.americamakes.us/images/publicdocs/ America_Makes_Technology_Roadmap_v2_ PUBLlC_080415.pdf，2015.9.

［3］NAMll Rebrands As ‘America Makes’，http://3dprintingindustry.com/2013/10/16/namiirebrands-america-makes/，2013.10.

［4］National Additive Manufacturing lnnovation lnstitute Announced，http://www.nist.gov/ director/pilot-082112.cfm，2012.8.