深度：美國防部首份《增材制造戰(zhàn)略》解析

來源：空天防務觀察
作者：陰鵬艷（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心 ）


2021年1月，美國防部負責研究和工程的副部長辦公室（OUSD (R&E)）戰(zhàn)略技術保護與開發(fā)（STP&E）辦公室下的國防部長辦公室制造技術（OSD ManTech）項目辦公室發(fā)布了首份綜合的《增材制造戰(zhàn)略》文件，美軍各軍種和其他國防機構合作參與了該項戰(zhàn)略的制定。南極熊也對該新聞進行了報道：http://www.withyoor.com/thread-144580-1-1.html

美國防部首個增材制造戰(zhàn)略報告下載： 美國防部首個增材制造戰(zhàn)略報告.pdf (1.88 MB, 下載次數(shù): 546)

2021-3-18 17:32 上傳

點擊文件名下載附件

文件中介紹了增材制造的內涵以及對國防戰(zhàn)略改革的重要意義，描繪了推行增材制造戰(zhàn)略的目標與愿景，針對增材制造的五個重點發(fā)展領域展開了詳細闡述與路徑規(guī)劃，并提出了下一步工作的關鍵步驟，為增材制造技術這一改變游戲規(guī)則的前沿技術在國防部范圍內的發(fā)展與應用構建了共同的愿景與路徑。

美國防部2021年1月發(fā)布的《增材制造戰(zhàn)略》文件首頁

增材制造被視作推動國防戰(zhàn)略改革的重要力量增材制造技術概述
先進技術正在改變系統(tǒng)的制造方式以及生產信息和數(shù)據(jù)的管理方式。增材制造，通常也稱為3D打印，是一種根據(jù)零件三維模型數(shù)據(jù)將材料逐層連接起來的數(shù)字化制造方法，可以大大提高生產速度和靈活性。

運用增材制造技術可以制造其他工藝方法無法完成的部件、獨特地組合各種材料、生產已過時淘汰的零件、快速制造原型，以及創(chuàng)建輔助制造的專業(yè)工裝和模具等，是實現(xiàn)國防系統(tǒng)創(chuàng)新和現(xiàn)代化、支撐戰(zhàn)備和作戰(zhàn)人員就緒的強大工具。增材制造的快速原型設計和獨特的制造能力將使工程過程從“設計-制造-測試”到“建模-分析-制造”模式的轉變成為可能。

標準開發(fā)機構美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）根據(jù)原材料和能源方式的不同，將增材制造分為七大類別，這些工藝及相關技術可用于制造從地面到空中系統(tǒng)的聚合物、金屬、陶瓷、復合材料部件和電子元件（如傳感器、天線）等。

七種行業(yè)認可的增材制造工藝（美國材料與試驗協(xié)會圖片，中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心漢化）

2增材制造可從三方面推動國防戰(zhàn)略改
在美國《2018年國防戰(zhàn)略》中，將“建設一支更具殺傷力的部隊”以及“富有彈性及靈活的后勤保障”等作為重要改革目標，可以快速、按需和定制化制造的增材制造可以在三方面為這些目標賦能。

（1）國防系統(tǒng)現(xiàn)代化
對應《2018年國防戰(zhàn)略》綱要中的“建設一支更具殺傷力的聯(lián)合部隊”目標。增材制造通過整合材料、設計和加工過程，從根本上改變了部件的設計方式，這些創(chuàng)新設計可以實現(xiàn)更優(yōu)的性能。此外，增材制造還可以將多個組件設計為單個部件，減少零件數(shù)量、制造成本和重量，同時提高系統(tǒng)可靠性。組合部件、混合材料、創(chuàng)建創(chuàng)新輕質結構和構建內部特征的能力，可以顯著減少新系統(tǒng)的生產時間，提高作戰(zhàn)人員的響應速度。

（2）提高裝備戰(zhàn)備完好性
對應《2018年國防戰(zhàn)略》綱要中的“快速、迭代的能力開發(fā)方法將減少成本、技術淘汰和采辦風險”和“彈性、敏捷的后勤”目標。在企業(yè)范圍內應用增材制造技術將提高任務就緒度，確保作戰(zhàn)人員在需要時獲得關鍵能力。它能夠快速生產原型，減少開發(fā)時間并加快迭代。通過提供低成本的替代制造商來擴大傳統(tǒng)供應商基礎，其靈活生產能力還有助于降低老舊過時部件的風險。此外，增材制造生產過程可以分配和擴展到多個機器、多個地點，減少設備停機時間，提高維護和維修效率。在無法獲得零件和數(shù)據(jù)的情況下，逆向工程和增材制造是維護遺留系統(tǒng)的有效方法。

（3）增強作戰(zhàn)人員的創(chuàng)新和能力
對應《2018年國防戰(zhàn)略》綱要中的“作戰(zhàn)人員的創(chuàng)造力和天賦是最持久的力量”。增材制造允許在戰(zhàn)區(qū)開發(fā)創(chuàng)新的解決方案。當前已有許多案例：美國海軍陸戰(zhàn)隊在實地打印傳感器外殼方面進行了創(chuàng)新；陸軍戰(zhàn)地維修單位成功打印了低成本蓋體來保護坦克上價值100萬美元的鏡頭；空軍使用增材制造替換C-5的老舊部件，成本僅為原來的5%。

C-5“銀河”計劃中擴大了增材制造的應用范圍，該型軍用運輸機于1963年開始設計，1968年6月第一架原型機試飛，1970年開始正式交付使用，部件面臨著老舊過時的風險（美空軍圖片）

互聯(lián)的數(shù)字方法是增材制造戰(zhàn)略的基本要素。數(shù)字線索可以為安全有效地應用增材制造提供完整、安全、權威的數(shù)據(jù)處理集成，使作戰(zhàn)人員能夠安全地訪問有權限的數(shù)據(jù)，分享并反饋創(chuàng)新的解決方案。

3.增材制造戰(zhàn)略的目標與愿景
1、戰(zhàn)略目標
《增材制造戰(zhàn)略》旨在為增材制造技術的發(fā)展和過渡提供一套共用的指導原則和框架，以支持國防部、軍事部門和相關機構的現(xiàn)代化和戰(zhàn)備完好性，并為國防部長辦公室、各軍種和國防部相關機構在當前或計劃活動的基礎上減少冗余、協(xié)調資金，提高實施增材制造的有效性。

《增材制造戰(zhàn)略》將使增材制造進入被普遍接受的技術領域（如機械加工和鑄造）。要使增材制造在國防部受到重視和推崇，必須滿足五個基本需求：
①確定快速和標準化的材料和工藝鑒定方法，以及增材制造部件的認證方法；
②探索承包和采辦增材制造數(shù)字化技術數(shù)據(jù)的新商業(yè)模式；
③形成在前方作戰(zhàn)區(qū)生產增材制造部件的后勤保障模型；
④建立增材制造技術數(shù)據(jù)內容標準；
⑤構建可互操作的安全的增材制造數(shù)字線索連接和數(shù)據(jù)管理方法。

2、戰(zhàn)略愿景
未來，增材制造能夠支撐建立戰(zhàn)勝敵對威脅的更敏捷、適應性更強、更一致的國防工業(yè)基礎，它將被廣泛應用于創(chuàng)新設計，提高武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)人員的殺傷力和可靠性，成為被國防部和國防工業(yè)基礎廣泛接受并應用的制造技術。這一前沿技術將更快地從研究和開發(fā)階段過渡到支持現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展的成熟能力。

數(shù)字線索作為由相互連接的系統(tǒng)、軟件和數(shù)據(jù)組成的生態(tài)系統(tǒng)，將更高效地將信息與物理過程相聯(lián)系，加速增材制造的應用。建模與仿真、人工智能和機器學習等先進技術的使用將更有效地促進新能力的開發(fā)和生產應用。

標準、規(guī)范和數(shù)據(jù)集將可用于快速鑒定增材制造機器和材料，并對增材制造零件進行認證。各環(huán)節(jié)人員將接受與其工作相應的培訓：采辦和工業(yè)部門將學習如何在裝備研發(fā)、生產和使用維護中適當應用增材制造；各軍種人員將熟練使用增材制造解決現(xiàn)場挑戰(zhàn)；工程師經(jīng)過充分培訓，可以對增材制造工藝進行設計；制造操作人員將獲得使用增材制造機器相關資質認證。

4.增材制造戰(zhàn)略聚焦于五個關鍵發(fā)展領域
增材制造仍是一項新興技術，盡管其在整個國防工業(yè)基礎的應用有所增長，但其全部潛力仍待發(fā)展。《增材制造戰(zhàn)略》提出了五項戰(zhàn)略目標及關鍵聚焦領域，以推動增材制造在國防領域廣泛采用。包括：將增材制造集成到國防部和國防工業(yè)基礎中；協(xié)調國防部和外部合作伙伴的增材制造活動；推動和促進增材制造的敏捷應用；通過學習、實踐和共享知識擴展增材制造的熟練程度；加強增材制造工作流的安全性。

1、將增材制造集成到國防部和國防工業(yè)基礎中
（1）制定政策和指南，盡可能使增材制造被廣泛采用
政策和指導必須具備靈活性，不僅允許短期快速采用以滿足戰(zhàn)備需求，還可以允許通過長期設計改進系統(tǒng)。政策和指南需要關注增材制造的技術、業(yè)務實踐和戰(zhàn)略，以解決知識產權和網(wǎng)絡保護等對數(shù)字制造至關重要的問題。政策將涉及采辦過程，確保適當考慮必要的數(shù)據(jù)權屬，以支持維護、成本分析和其他行業(yè)和政府利益的權衡。

（2）修訂軍種和機構層面的增材制造實施計劃
軍種和國防部相關機構已經(jīng)開始制定初步的增材制造框架和實施計劃，以解決整個組織中增材制造的開發(fā)和執(zhí)行問題。這些計劃的核心是以下貫穿國防部的基本原則：

• 通過制定資格和認證指南來提高熟練程度，以確保軍種具備最佳能力，以及如何在整個政府、行業(yè)和學術界共享信息；
• 通過廣泛的思想交流促進創(chuàng)新設計；
• 為遠征及需求提供指導；
• 培養(yǎng)世界級的從業(yè)人員、設計師、技術人員和采購專業(yè)人員；
• 定義業(yè)務實踐、后勤、成本建模和供應鏈集成政策和指南。
  

（3）制定評價標準
國防部將細化當前的一系列指標，以定義增材制造在戰(zhàn)備和成本方面的價值，包括在小批量還是大批量生產中如何一致、準確地生產產品。性能和有效性度量方式將在國防部范圍內達成一致。

（4）在合同管理與采辦流程中開發(fā)并共享新的增材制造業(yè)務模型
開發(fā)人員需要業(yè)務模型和合同指南，以在適當?shù)牡胤綌U大和激勵增材制造部件在國防部武器系統(tǒng)中的使用。指南或指示需要涉及從初始設計到維護的采辦周期所有階段。國防部將考慮將技術數(shù)據(jù)訪問作為合同流程的一部分，包括可選擇的業(yè)務模式，例如獲得數(shù)據(jù)訪問許可而不是直接獲取所有數(shù)據(jù)。

（5）采取健全的風險管控措施
風險管控措施需要考慮可定制資格和認證流程失敗的后果，解決各軍種特殊需求、網(wǎng)絡安全和運營使用問題。國防部還將使用部件管理最佳實踐（配置控制和部件識別）來防止假冒部件并確保質量。

2、協(xié)調國防部和外部合作伙伴的增材制造活動
（1）資源與保障的跨軍種協(xié)作
一個正式的跨國防部合作框架正在建立，成立增材制造聯(lián)合工作組（JAMWG）可以提供一個論壇，以分享最佳實踐、確定共同的挑戰(zhàn)和主要的資源缺口、就聯(lián)合項目進行合作，并為政策或指南的更改修訂提出建議。

（2）修訂聯(lián)合路線圖并整合資源
2016年，第一份國防部范圍內的《增材制造路線圖》公布了四個重點領域：設計、材料、工藝和價值鏈。國防部正在對該路線圖進行更新，以納入更先進的技術和來自當前軍方項目的信息，并調整研發(fā)、采辦、后勤和業(yè)務流程投資。

（3）與聯(lián)邦政府和外部利益相關者建立合作
美國國家航空航天局、能源部、聯(lián)邦航空管理局、商務部等都有積極而強大的增材制造計劃和活動，國防部將在可能的情況下確定聯(lián)合項目和計劃。此外，國防部已經(jīng)建立了八個公私伙伴關系，國防部將從戰(zhàn)略和戰(zhàn)術上通過這些伙伴關系參與投資，以推進增材制造和相關技術（如數(shù)字工程）的發(fā)展。

美國防部制造創(chuàng)新研究院與國家研發(fā)機構，其中，增材制造創(chuàng)新機構（America Makes）成立于2012年，數(shù)字制造與設計創(chuàng)新機構（MxD）成立于2014年，是美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡（NNMI）最早設立的創(chuàng)新機構（美國防部圖片）

3、推動和促進增材制造的敏捷應用
（1）開發(fā)并共享新的增材制造資格認證和鑒定方法
國防部將利用數(shù)據(jù)、經(jīng)驗教訓和已經(jīng)從軍隊和工業(yè)中開發(fā)的最佳實踐來鑒定和認證增材制造組件，以便開發(fā)通用的定義和標準來快速實現(xiàn)改進。

C-17“全球霸王”Ⅲ航電設備冷卻管系列零部件被批準通過增材制造生產，該部正在制定標準，以確定允許擴展增材制造能力并將其納入產品生產流程的因素

（2）利用先進技術改進設計
增材制造的靈活性要求開發(fā)新的技術方法來加速設計、鑒定和認證過程。軍種部門目前正在評估建模和仿真（M&S）工具，以增強金屬結構件的可靠性和成本效益。

美海軍質量制造計劃框架，該計劃旨在通過先進技術提高鑒定水平，并增強對增材制造的信心（美國防部圖片，中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心漢化）

（3）支持增材制造在現(xiàn)場的部署和應用

必須為現(xiàn)場/海上部隊和指揮官提供具有指導性的簡化能力，能夠對零件需求進行分類，為需要加強審查的零件提供工程批準和反饋，并最大限度地降低前線部署單位在接受3D打印解決方案時承擔的風險。擴展完整、安全和權威數(shù)據(jù)的數(shù)字線索將支持這一過程。

4、通過學習、實踐和共享知識擴展增材制造的熟練程度
（1）學習流程和最佳實踐
國防部工作人員需要額外的技術和非技術教育來確保具備全面的增材制造專業(yè)知識，以了解小批量和長交付周期挑戰(zhàn)的業(yè)務影響、成本模型和成本效益分析，以及知識產權政策和實踐的影響。軍事部門和國防機構將利用、開發(fā)和采用與當前工作崗位相關的技術認可和認證，并適用于學術界和工業(yè)界就業(yè)。

（2）實踐制造零件的規(guī)程
國防部正在部署實習計劃與實踐培訓，該部門將與業(yè)界合作，建立培訓和認證增材制造工程師和技術人員的標準和最佳實踐。工作人員必須不斷地展示、使用和加強增材制造能力和熟練程度。

（3）共享知識
更快達到熟練程度和保持核心能力的一個關鍵方法是確保重要信息與國防部內外各級決策者一致。國防部軍事部門將在內部和適當?shù)臅r候與外部合作伙伴分享最佳實踐和經(jīng)驗教訓。

5、加強增材制造工作流的安全性
（1）保護、控制和管理數(shù)據(jù)傳輸和訪問
國防部將建立驗證增材制造零件數(shù)據(jù)的流程，并使用數(shù)字孿生進行驗證和防篡改，確保數(shù)字供應鏈的安全；將使用數(shù)據(jù)管理最佳實踐和配置控制增材制造技術數(shù)據(jù)；將為遠征環(huán)境中斷開的增材制造機器提供指南；將開發(fā)管理和保留中間類型數(shù)據(jù)的最佳實踐，確保專有和敏感數(shù)據(jù)得到適當處理。

（2）為機器建立直接、安全的網(wǎng)絡連接
國防部將利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡安全框架，安全地將增材制造機器連接到網(wǎng)絡；將與制造商合作，以考慮增材制造相關設備的網(wǎng)絡物理安全要求；將與工業(yè)界合作，確定并實施信息技術（計算機、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)管理軟件、數(shù)字孿生模型）和操作技術風險管理方法的最佳實踐，增強信息物理安全；將制定數(shù)字線索能力指南，驗證增材制造機器的資格和網(wǎng)聯(lián)機器的配置。

（3）使用質量保證流程驗證零部件
材料和機器管理是最終零件質量保證的基本要素。質量保證（QA）流程由國防部開發(fā)，可以根據(jù)零件的風險評估進行定制。國防部將根據(jù)零部件工藝為增材制造機器、材料鑒定和材料管理制定政策和指南。解決增材制造零部件檢查和驗證的途徑包括：

• 將增材制造的檢驗和計量規(guī)范標準化
• 開發(fā)用于零件安全性驗證的原位傳感器
• 提供支持驗證的數(shù)據(jù)和軟件
  

5.下一步計劃
國防部長辦公室和各軍種將共同努力，通過實施增材制造戰(zhàn)略來加速該技術的廣泛采用，后續(xù)的關鍵步驟包括：
（1）合作開展聯(lián)合增材制造活動
國防部長辦公室將繼續(xù)通過聯(lián)合國防制造委員會和聯(lián)合增材制造工作組與各軍種和機構合作，以集體實施該戰(zhàn)略的活動為導向，確保軍種部門、國防部、國防后勤局（DLA）和其他部門之間的最高級別的協(xié)調。工作組將為軍種和機構確定指標，以采用和跟蹤增材制造的使用、管理和價值。

（2）完善國防部實施計劃
各軍種和機構將與國防部長辦公室合作，根據(jù)需要完善或創(chuàng)建增材制造實施/戰(zhàn)役計劃和路線圖，以與增材制造戰(zhàn)略保持一致。

（3）實施計劃并與業(yè)界合作
國防部長辦公室、各軍種和機構將通過啟動試點項目來解決運營和業(yè)務差距，并與行業(yè)標準開發(fā)組織合作，開發(fā)和實施通用的增材制造標準。國防部將評估并確保有足夠的資源支持這項活動。

（4）建立增材制造數(shù)字工作流
國防部將實施增材制造政策、指南和培訓計劃，以確保向新硬件的全數(shù)字化設計過渡。國防部長辦公室、各軍種和機構將支持研究和開發(fā)計劃，以將先進技術（如人工智能、機器學習、過程監(jiān)控等）集成到增材制造數(shù)字線索和數(shù)字制造環(huán)境中。

6.結束語
增材制造已被美國視為發(fā)展敏捷的領先軍事能力的重要手段之一。早在2016年11月，國防部便及時響應新興技術的應用需求，聯(lián)合美國國家增材制造創(chuàng)新機構發(fā)布了《增材制造路線圖》。經(jīng)過四年的發(fā)展，工業(yè)界已經(jīng)涌現(xiàn)出可以適應多種材料、多類工況的增材制造工藝，在航空發(fā)動機、飛機零部件、戰(zhàn)備等軍民領域的裝備與場景中的應用占比逐漸上升，先進增材制造機器也在不斷向大型化、快速化方向發(fā)展�？哲娧芯繉嶒炇摇㈥戃�、DARPA以及波音、羅·羅等軍方機構和國防制造商都投資或參與多項增材制造研究項目。此次發(fā)布《增材制造戰(zhàn)略》，表示美國軍方已高度認可了這一技術既有和潛在的優(yōu)勢能力，因而針對推進增材制造廣泛采用與標準化的途徑進行了頂層規(guī)劃，并提出了清晰的發(fā)展路徑。

《增材制造戰(zhàn)略》認為，廣泛采用增材制造的預期優(yōu)勢包括通過面向增材制造的創(chuàng)新設計驅動更致命的系統(tǒng)，提升裝備戰(zhàn)備完好性，并賦予作戰(zhàn)人員在戰(zhàn)區(qū)實時解決問題的能力。完善頂層框架設計，制定政策、實施計劃與標準，提升技術成熟度、勞動力專業(yè)知識水平，以及數(shù)據(jù)、材料和機器的可用性和安全性，都將有助于發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢，這些也是美國在其他戰(zhàn)略和活動（如數(shù)字工程戰(zhàn)略、數(shù)字戰(zhàn)役活動等）中都會規(guī)劃建設的因素，對我國推進新技術、新模式的發(fā)展和應用具有借鑒意義。

試試水