“美国制造”创新机构路线图寻求加速制造模式变革

2015-11-23中国航天工程咨询中心孙红俊

卫星应用 2015年12期

● 文| 中国航天工程咨询中心孙红俊

● 文| 中国航天工程咨询中心孙红俊

2015年9月，“美国制造”创新机构发布“增材制造技术路线图”，依据关键技术元素（CTE）成熟度演进过程，面向设计、材料、工艺、价值链以及材料基因组等五大领域，规划提出2020年前增材制造技术的发展方向和25项发展重点，为“美国制造”未来技术发展和项目确立提供指南。

一、“美国制造”创新机构基本情况

奥巴马政府上台以来，美国将发展先进制造业作为提升经济实力、确保全球竞争优势、满足国防需求的重要战略。

2012年3月，奥巴马总统提出“国家制造创新网络”计划，将投入10亿美元的政府经费，并吸引10亿美元以上的社会资金，组建约15个联盟式制造创新机构。旨在举全国之力，把全美的政府机构、工业界、学术界及其他国家和地方组织集聚到一起，为基础研究和产品开发搭建桥梁，帮助企业获得尖端能力和设备，建立技能教育和培训环境，加速整个国家的制造创新，确保美国先进制造的领先地位。

2012年8月，作为“国家制造创新网络”的首个试点，美国国防部牵头组建国家增材制造创新机构，选定国家国防制造与加工中心作为负责单位，参与单位有波音、洛马、诺格、通用电气等40家企业，卡耐基梅隆大学、宾夕法尼亚州立大学等14所院校，美国制造技术协会、制造工程师协会等11个非营利机构。2013年10月，国家增材制造创新机构更名为“美国制造”创新机构（见图1）。这表明美国将增材制造技术视为振兴国家制造业的首要技术。

图1 国家增材制造创新机构更名为“美国制造”

二、路线图五大要点

1. 打破传统设计模式，创新发展与增材制造相适应的新型设计方法

面向设计领域，针对面向机械加工、铸造等常规制造模式的传统设计方法所存在的自由度弱、跨供应链创新能力不强等问题，迫切需要探索新型设计方法，以满足增材制造对设计自由度的需求，充分发挥增材制造的优势。路线图指出要深入探索传统设计方法与增材制造对设计的需求之间的差距，提出填平方案，加速形成适用于大中小型企业的通用增材制造设计方法，实现跨供应链快速创新。未来发展重点包括面向增材制造的设计复杂度分析、三维功能梯度材料设计、多材料集成设计、基于模型的设计方案验证以及产品个性化定制等。

2. 构建增材制造材料性能表征数据知识体系，消除设计制造环节材料的性能波动

面向材料领域，针对设计与生产过程中存在的材料属性表征数据集不一致、不完整等问题，迫切需要面向增材制造过程建立标准化的属性表征模式、严谨的工艺方法与操作指南以准确把握原材料的基本物理特性，减少所设计微结构与最终产品之间的性能差异。路线图指出要创建一种新型知识管理范式，实现在微尺度层面对增材制造材料基本物理特性的有效管理，以替代传统注重微结构及其过程参数的管理模式，确保所制造的可重用微结构材料性能与设计性能的一致。未来发展重点包括面向增材制造的原材料标准化描述、材料性能表征数据基准制定、工艺-材料性能-结构关系描述、工艺过程边界定义、后处理指南和规范制定等。

3. 着力发展高速度、高精度、高细节辨识力的增材制造装备，提升大批量、高质量生产能力

面向工艺领域，针对当前增材制造零部件大批量生产经济性不强、性能弱于常规生产产品等问题，迫切需要突破新型增材制造装备技术，以推动增材制造从快速原型技术向生产型技术转变。路线图指出要重点研发增材制造装备相关关键技术和子系统，以提升其工艺性能。未来发展重点包括增材制造装备的加工速度、加工精度、细节辨识力、加工表面质量以及最大加工尺寸等。

4. 突破增材制造价值链各环节壁垒，大幅降低产品研发成本、周期和市场化时间

面向价值链领域，针对日益复杂的三维梯度材料或多材料零部件研制所面临的瓶颈问题，迫切需要突破贯穿价值链或产品全寿期的全面系统集成方法，以替代当前注重单个环节的离散研发模式，进而实现时间和成本的最优化。路线图指出要识别日益复杂的三维梯度材料和多材料零部件生产所引发的增材制造价值链设计和验证环节的新瓶颈，研发贯穿价值链各环节以及产品研发全生命周期（包括原材料制备和产品回收）的系统集成方法等。未来发展重点包括贯穿增材制造价值链的产品加工成本、原材料成本、质量控制成本、劳动力成本以及能源效率成本的优化等。

图2 “美国制造”增材制造技术路线图

5. 加速研发适用于增材制造的新型计算材料方法，优化材料研发周期与成本

面向材料基因组领域，针对新材料研发、表征与验证过程过度依赖经验与属性等问题，迫切需要研发新型计算模式，以实现材料“基本单元”的组装，进而大幅度缩短周期、降低成本、减少风险。路线图指出要聚焦研发计算材料方法（如基于物理模型的材料性能预测）及相应的性能预测通用基本数据集等。参照美国政府2014年“材料基因组计划”，未来发展重点包括面向增材制造的计算机辅助材料研发、模块化开放式材料仿真体系构建、开放式材料性能数据库访问、多尺度材料数据管理与共享、高效的材料性能表征方法等。