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15~45家“制造創(chuàng)新機構”，形成覆蓋全美的制造創(chuàng)新網絡。

2012年8月16日，首家創(chuàng)新機構“國家增材制造創(chuàng)新機構”（NAMII）由國防部牽頭組建成立，負責管理該機構的是國防制造與加工中心。該機構主要通過技術聯(lián)合創(chuàng)新，加速美國增材制造能力的發(fā)展，將更高生產率和合格率更高的增材制造工藝廣泛應用到軍民用產品中。2013年12月，為了擴大其影響力，機構更名為“美國制造”。該機構目前擁有超過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、院校、研究所和商業(yè)組織。

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

         作為具有試點性質的首家制造創(chuàng)新機構，“美國制造”在短短兩年多內取得了矚目的成績，提出了技術路線圖，支持了眾多成員間廣泛合作的增材制造技術開發(fā)項目，舉辦和贊助了一系列增材制造相關的全國性活動。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)新機構下設的技術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官員組成，在技術路線、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大技術領域提升增材制造技術與制造成熟度

         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。指南重點關注5個影響最顯著的技術領域，這些領域是在創(chuàng)新機構舉辦的技術投資策略會上由與會成員和技術咨詢委員會共同確定的。這5個技術領域分別是增材制造設計、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、增材制造設計

該領域的發(fā)展目標是在新的通用設計方法和工具方面實現(xiàn)技術提升，在增材制造零件上打破傳統(tǒng)的設計路線，使設計文化發(fā)生變革。針對機構制定的技術路線圖中各節(jié)點設定的水平，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工具和設計經驗局限的約束。
當前的產品設計方法是為常規(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計方法，全面探索這種技術的優(yōu)勢。領域的重點將是開發(fā)新的產品和工藝通用設計方法，讓大中小企業(yè)都能采納增材制造技術，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

該領域的目標是圍繞增材制造性能表征數據基準，構建知識體系，消除成品材料性能的波動。也就是構建一個范本，以微尺度層面上對增材制造工藝的物理學控制，代替現(xiàn)有的工藝參數和成品微結構控制，完全按照設計實現(xiàn)一致的、可重復的產品微結構和性能。

當前的增材制造工藝和產品零件性能是以一種特定的方式表征的，導致相關數據集不一致、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)設計的微結構，減少成品材料性能的波動。領域的重點將是開發(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，同時提升產品零件質量。這就需要開發(fā) “機床級”增材制造工藝性能提升所需的關鍵技術和相關子系統(tǒng)，與柔性制造系統(tǒng)相類似。這些技術和子系統(tǒng)包括諸如多軸、多功率激光數控子系統(tǒng)，工藝溫度梯度控制子系統(tǒng)，以及連續(xù)式生產設備等。

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濟性的條件下實現(xiàn)批量生產，而且經常需要進行二次后處理，才能達到常規(guī)生產方法下的零件特征。因此，需要在許多“機床級”技術方面進行提升，讓增材制造從一個主要用于制作快速原型的技術變?yōu)橐粋�生產型技術。領域的重點將是開發(fā)一系列技術，加速并優(yōu)化材料的沉積、熔化/燒結/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”增材制造技術路線圖示意（1.0版本）

4、增材制造價值鏈

該領域的目標是逐漸降低端到端價值鏈成本，縮短增材制造產品的上市時間。研究包括快速合格鑒定/認證方法，以及從全盤角度，在整個產品（從搖籃到搖籃）壽命周期中集成相關技術。這些技術已經在國防部制造技術計劃的先進制造企業(yè)投資科目中被確認為構建單一集成數字線的首要重點，它們可以幫助確定工人所需技能，比如提升生產率的設計輔助手段和計算機程序。這些技術還能夠凸顯面向快速設計與檢測的新技術需求。

當前的增材制造技術開發(fā)工作面向的是價值鏈上和產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，更好地將增材制造價值鏈和產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)，設計和檢測將會成為新的瓶頸。領域的重點將是面向整個壽命周期和價值鏈，開發(fā)和集成經濟可承受的增材制造技術，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

該領域的目標是針對用于增材制造的新材料設計、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據集；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的發(fā)展應該在過程改進、速度提升、質量控制和材料發(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的商業(yè)化�！懊绹�制造”的組建與此結論完全契合，這次提出的5個領域，聚焦了增材制造的設計、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，并且已經跳出了制造，開始考慮顛覆當前產品設計以及改變傳統(tǒng)設計流程上來。而且，按照制造創(chuàng)新機構的使命，這些領域的目標也都是朝著提升增材制造的技術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。

美國國防部增材制造技術路線圖（美國空軍研究實驗室）

三、指南發(fā)布對美國增材制造技術發(fā)展普及意義重大

按照國家制造創(chuàng)新網絡的設計，“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”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中應用新技術；
（4）培育先進制造技術人才，提高工人技能水平。

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

機構運營主任、洛克希德•馬丁公司先進制造系統(tǒng)與原型部前高級經理Rob Gorham表示：“這份指南是該機構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�！�

機構負責技術發(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’提升增材制造關鍵技術成熟度的承諾，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，并且充分強調共享，各成員可以就增材制造相關的設計工具、加工設備、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備和工程能力。此外，該機構還組織了各種技能教育和培訓，推廣應用新技術成果。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）