【3D打印】美国防部发布增材制造路线图

2020 年 3 月 20 日 产业智能官

刘亚威空天防务观察

美国防部发布《增材制造路线图》（下称“路线图”）。该路线图由美国增材制造创新机构（美利坚造）和德勤公司负责制定，美陆海空三军和国防后勤局全程参与。路线图面向维修与保障、部署与远征、新部件／系统的采办这3类应用范围，从设计、材料、工艺和价值链4个技术领域出发，针对系统、高效地提升增材制造技术／制造成熟度的活动，为国防部实施合作与协调投资提供了基础和框架。

一、路线图面向三类应用范围

美国防部认为在第三个“抵消战略”中，增材制造将直接促成若干先进新兴技术的应用，并且为未来持续保障提供至关重要的新手段，对于确保“抵消”来说必不可少。增材制造将在维修与保障、部署与远征、新部件／系统的采办这3类应用范围内使国防部和美国工业基础受益。

表1 增材制造支撑国防部战略目标

国防部战略目标	增材制造益处
打败对手，阻止战争，保卫国家	推动自适应响应和新能力，对抗日益敏捷的对手
保持准备就绪的部队，满足使命需要	建立更弹性的供应链，实现战场内制造
加强并提升全员的健康与效能	实现划算的个性化产品和疗法，增强士兵健康
通过创新和技术优势达到统治能力	增加系统可用性，生产新颖的高性能零部件
改革并重塑国防制度	将增材制造的优点集成进国防部的运行中

1．维修与保障

应用地点主要位于后勤中心、机库和本土作战基地。应用方向主要有4个：1）零件制造——特别是在替换已过时淘汰的零件和电子器件时；2）使用增材制造方法维修；3）制造过程辅助——包括模具、工装、夹具等；4）原型制造——用于快速创新和逆向工程。

2．部署与远征

应用地点主要位于航母、潜艇、战场和海外作战基地。应用方向主要有3个：1）零件快速制造——能够缩短后勤链条并按需生产关键任务零件；2）使用增材制造方法维修；3）原型制造。

3．新部件／系统的采办

应用地点主要位于新采办平台的承包商和供应链。应用方向主要有3个：1）新部件和系统——通过面向增材制造的设计，充分发挥增材制造的优势；2）制造过程辅助；3）原型制造——用于部件/系统的快速研制。国防部认为可直接应用增材制造的新部件／系统包括：航空航天、地面和海上运载器的结构与辅助部件，集成电子器件、天线、结构健康监测，保形孔径和可重构电子器件，电力和能量捕获/存储，个人防护（如装甲和传感器），医学移植和修补，医药品，食物，掩体等。

二、路线图包含四个技术领域

路线图包含设计、材料、工艺、价值链4个技术领域，这与“美利坚造”2015年发布的反映工业界广泛需求的机构路线图保持一致，包括雷神和罗罗在内的诸多国防制造商已将其内部研发投资按照机构路线图进行了重组。国防部路线图完整考虑了国防部各军种／相关部门的需求，利用它能够更好地协调投资，并就国防部内外的当前需求和相关技术发展规划进行有效交流，促进增材制造技术/制造成熟度的提升。

1．设计

在新的设计手段和工具上驱动技术提升，打破设计增材制造零件的旧有模式。实现这一目标将消除传统CAD／CAM软件造成的约束，释放增材制造技术的潜力。路线图聚焦设计工具的标准化，以及降低从事增材制造设计门槛，特别强调逆向工程和医疗应用。包括4个目标：

（1）开发耐久、集成和智能的设计工具。这一系列工具在国防部和工业基础内都是可集成和互操作的。此举将优化设计流程，减少研制周期，获得高性能产品。

（2）实现面向增材制造的设计。这需要建立必要的流程和基础设施，实现各种设计手段的设计协同。此举将增强快速交付部队的能力。

（3）提升逆向工程能力。这需要为增材制造的持续保障应用开发相应工具、标准和规程。此举将推动增材制造发展，使作战单元更加自给自足，并增强战场用户的创新能力。

（4）制定面向功能性的设计（基于应用的设计）的指导方针。这需要评价需求并确定如何针对增材制造工艺设计组件。此举将增材制造的好处与设计需求匹配，满足指定武器系统的需求。

2．材料

掌握增材制造背后的材料科学，面向性能表征的基准数据构建知识体，消除成品材料性能的波动。标准、材料－工艺－性能关系的基准数据以及完整增材制造工艺的预测性仿真对于这一目标实现至关重要。国防部特别强调中央数据中的数据/模型标准化和管理，利用先进综合计算材料工程的合格鉴定和认证，以及特定类型材料的开发。包括6个目标：

（1）定义标准增材制造材料的需求。这需要掌握材料性能与增材制造工艺和零件性能的关系，确定给料的关键特性并建立标准。此举将形成一个可互操作的国防部增材制造框架，提高零部件性能的可预测性。

（2）建立供应商资格认证程序，鼓励扩大材料供应源。这需要定义并应用认证需求以确保材料满足所有必需的生产要求。此举将扩大可用于设计的材料的范围，提高零部件性能。

（3）研发增材制造材料。这需要针对国防部需求评价当前可用的增材制造材料，并且开发新材料以弥补应用上的差距。此举将为满足国防部需求而开展的增材制造材料研发活动建立优先级。

（4）创建明确的、可访问的谱系化数据集及架构。这需要面向国防部使用而建立架构和数据库以收集、格式化和存储数据。此举将建立权威的数据集，用于仿真和参考引用。

（5）建立一个国防部层面的增材制造材料和工艺数据库。这一数据库需要是实时的、安全可访问的、标准化的。此举将建立一个材料、工艺和性能参数的独立数据库，提高研究的速度和质量。

（6）开发基于模型的方法，加速材料的合格鉴定与认证。这需要开发先进的计算方法，如通过减少物理试验需求而减少设计和工艺迭代。此举将确保增材制造零部件的质量。

3．工艺

在实现更快速、更精确和更高解析度增材制造的机床方面驱动技术提升，改善制造工艺和零件表面质量。国防部路线图突出了以下需求：提升原位感知和反馈控制，开发一套新工艺能力（包括远征应用），以及更耐久的标准。包括4个目标：

（1）开发无损评价和工艺流程控制方法。这需要开发相关感知、控制和无损评价技术，实现加工的一致性和质量的确认。此举将增强机床的感知能力，收集数据以确保质量。

（2）建立稳定和耐久的增材制造工艺。这需要确保工艺稳定性和设备坚固耐用。此举将通过稳定工艺和强化设备，扩展增材制造的应用。

（3）研制开放式架构的设备。这需要发展拥有开放式接口的软硬件，监测和控制工艺流程。此举将通过规范和标准，确保传递性和互操作性。

（4）改进已有的工艺能力或开发新的工艺能力。这需要开发一系列新工艺和新型机床。通过改变或开发工艺流程，此举将提升增材制造在各种情况下的适用性。

4．价值链

通过商业案例分析、全寿命周期分析和检测等，面向端到端价值链的增材制造产品成本和上市周期，在实现大幅降低成本和周期方面鼓励技术提升。这一领域包含数字主线（Digital Thread），这是一个基于IT的中枢，将供应链的不同部分数字化地连接到一起。国防部路线图聚焦数字主线，构建增材制造的商业/作战案例，以及将增材制造与传统供应网络紧密集成。包括5个目标：

（1）构建成本模型和决策工具。通过此举将掌握何时、何地以及如何应用增材制造。

（2）开发零部件和系统的合格鉴定与认证方法。此举将确保零部件的质量，并确保与现有的和新的国防部政策相协调。

（3）建立赛博基础设施（软件和硬件），确保赛博安全。这需要围绕全寿命周期的数字主线，开发安全的信息技术基础设施。此举将面向制造过程中端到端的连通性，确保信息技术基础设施的安全。

（4）建立增材制造的物理基础设施。这需要面向研发、生产和持续保障，计划并开始部署增材制造能力。此举将启动跨国防部机构的增材制造机床安装。

（5）商业运营模式，涉及增材制造的知识产权、数据权利和承包合同问题。此举将建立共同议定、达成一致的商业运营模式，确保将增材制造无缝集成进现有供应链。

表2 路线图

领域	综合目标	积极影响
设计	开发耐久、集成和智能的设计工具	优化设计流程，减少研制周期，获得高性能产品
	实现面向增材制造的设计	增强快速交付部队的能力
	提升逆向工程能力	推动增材制造发展，使作战单元更加自给自足，增加战场用户的创新能力
	制订面向功能的设计（基于应用的设计）指导方针	应用增材制造以满足特定武器系统的需求
材料	定义标准增材制造材料的需求	在国防部使用一个互操作的增材制造框架，提高零件性能的可预测性
	建立卖方合格鉴定程序并鼓励扩展材料供应源	增加可用于设计的材料范围，提高零件性能
	开发增材制造材料	为满足国防部需求所必需的增材制造材料开发活动建立优先级
	建立明确、可访问的谱系化数据集和架构	建立权威的数据集，用于仿真和引用
	建立一个国防部层面的材料和工艺增材制造数据库	建立一个材料、工艺和性能数据的单一数据库，提速研究，提高质量
	开发基于模型的方法，加速材料合格鉴定和认证	确保增材制造零件的质量
工艺	开发无损评价和工艺控制手段	增强机床的感知能力，收集数据以确保质量
	建立稳定和耐久的增材制造工艺	通过工艺稳定性和设备减震扩展增材制造应用
	开发开放式架构的设备	通过规范和标准确保可转移性和互操作性
	修改已有工艺能力或开发新工艺能力	修改或开发工艺，增加增材制造在诸多条件下的适用性
价值链	构建成本模型和决策工具	掌握何时、何地和如何应用增材制造
	开发零件和系统的合格鉴定和认证手段	保证零件质量，与现有/新国防部政策相协调
	建立赛博基础条件（软硬件）和赛博安全	面向制造工艺的端到端连通性，实现安全的信息技术基础条件
	建立增材制造的物理基础设施	跨国防部组织安装增材制造机床
	商业实践——增材制造的知识产权、数据权利和承包问题	建立协商一致的商业实践，确保将增材制造无缝集成进现有供应链

三、路线图强调四个使能要素

国防部认为文化改变、劳动力发展、数据管理、政策改变是增材制造路线图成功实施的4个使能要素。

1．文化改变

增进对增材制造的了解并接受增材制造，驱动组织认同并采用增材制造。关键举措包括：提高组织人员增材制造的接受度，成立增材制造实践团体，创建协同环境促进信息交流。

2．劳动力发展

通过适当的教育，使国防部劳动力掌握增材制造技能，提升生产效能。关键举措包括：综合业界和学界最佳实践，创建综合培训课程，招募具备领导力的人才。

3．数据管理

开发政策、架构和程序，特别是使用数字主线，准确管理海量的多模态增材制造数据，促进信息交流并保护敏感数据。关键举措包括：开发数据库或平台，制定数据规范和标准，确保设计－生产－存储的赛博安全。

４．政策改变

修改组织的管理方式以实现增材制造的效益。

四、路线图提出三点建议

路线图建议协调国家防务资源，加快路线图实施，以达到改进后勤、提升和创新产品、增加装备完好性的国防部共同目标。

第一步，进一步凝练和落地——面向增材制造能力提升，设立一个在整个国防部范围内协调好的计划。

第二步，启动执行——面向增材制造能力发展，开始执行整个国防部范围的协调计划。

第三步，持续改进——在整个国防部内持续发展增材制造能力，在增材制造技术走向成熟时滚动更新增材制造路线图。

路线图制订中的多阶段工作组方法

五、结束语

美国防部十分重视增材制造在第三个“抵消战略”中的使能作用，此番发布的增材制造路线图完整考虑了采办、使用和保障需求，并且从大的技术领域上与工业界需求保持了统一，为未来美国军方和业界提升增材制造技术／制造成熟度提供了清晰路径，也为我国发展并在武器装备全寿命周期应用增材制造提供了重要参考。此外，路线图强调的文化和政策改变、劳动力发展以及数据管理的若干关键举措，特别是数字主线的使用，对我国具有借鉴意义。

延展阅读：

增材制造（3D打印）——“美国制造，美国能行！”

“美国制造，美国能行！”

《空天防务观察》已先后推出4期我中心青年学者、知名制造技术研究专家刘亚威先生的“威视点·制造创新”专栏，主题分别是“美国数字制造与设计创新机构助力美国智能制造”（2月16日）、“非热压罐成形技术用于MS-21机翼主承力构件生产”（2月23日）、“热塑性复合材料加速进入民机主承力结构”（2月25日）和“轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔”（2月27日）。

本期，刘亚威先生再次为我们撰写深度专栏文章。本期主角是美国国家增材制造（即3D打印）创新机构（现名“美国制造”），该机构由美国国防部牵头建立，成员包括波音、洛克希德•马丁、诺斯罗普•格鲁门、雷神、通用动力、通用电气、穆格、3D系统公司、Stratasys公司、ExOne公司、Sciaky公司等。

重要事件：2015年2月，该机构发布2015新版项目指南，涉及增材制造设计、增材制造材料、增材制造工艺、增材制造价值链、增材制造基因组这5个技术领域。

一、“美国制造”机构由来与现状

2012年3月，作为“振兴制造业”战略的重要一环，美国政府宣布启动“国家制造创新网络”计划，该计划由先进制造国家项目办公室协同国防部、能源部、航空航天局、商务部以及国家科学基金等联邦政府部门共同负责实施，以公私合营的方式，建设15~45家“制造创新机构”，形成覆盖全美的制造创新网络。

2012年8月16日，首家创新机构“国家增材制造创新机构”（NAMII）由国防部牵头组建成立，负责管理该机构的是国防制造与加工中心。该机构主要通过技术联合创新，加速美国增材制造能力的发展，将更高生产率和合格率更高的增材制造工艺广泛应用到军民用产品中。2013年12月，为了扩大其影响力，机构更名为“美国制造”。该机构目前拥有超过120家成员，包括波音、洛克希德•马丁、诺斯罗普•格鲁门、雷神、通用动力、通用电气、穆格、3D系统公司、Stratasys公司、ExOne公司、Sciaky公司、美铝、RTI国际金属、PTC、MAYA等企业、政府机构、院校、研究所和商业组织。

国家增材制造创新机构赞助2013年FIST机器人挑战赛

作为具有试点性质的首家制造创新机构，“美国制造”在短短两年多内取得了瞩目的成绩，提出了技术路线图，支持了众多成员间广泛合作的增材制造技术开发项目，举办和赞助了一系列增材制造相关的全国性活动。美国国防部在其中担当了重要角色，除了国防制造与加工中心直接负责管理外，创新机构下设的技术咨询委员会主要由来自国防部长办公室等部门的政府技术官员组成，在技术路线、战略愿景、项目选择和评审、教育与人才开发等方面提供建议。因此，“美国制造”提出的项目方向，都具有深刻的国防背景。

二、5大技术领域提升增材制造技术与制造成熟度

2015年2月27日，“美国制造”发布了新版的增材制造应用研究与开发项目指南。指南重点关注5个影响最显著的技术领域，这些领域是在创新机构举办的技术投资策略会上由与会成员和技术咨询委员会共同确定的。这5个技术领域分别是增材制造设计、增材制造材料、增材制造工艺、增材制造价值链、增材制造基因组。具体包括：

1、增材制造设计

该领域的发展目标是在新的通用设计方法和工具方面实现技术提升，在增材制造零件上打破传统的设计路线，使设计文化发生变革。针对机构制定的技术路线图中各节点设定的水平，提出缩小差距的解决方案，避免受当前常规制造工艺中CAD/CAM/CAE/PLM工具和设计经验局限的约束。

当前的产品设计方法是为常规制造工艺（如加工、铸造、模塑、复合材料铺层、电子表面安装等）而优化的，无法充分实现增材制造下的设计自由度，体现不出其优势。因此，需要为增材制造零件寻找新的设计方法，全面探索这种技术的优势。领域的重点将是开发新的产品和工艺通用设计方法，让大中小企业都能采纳增材制造技术，并且得以高效利用，实现跨供应链的快速创新。

2、增材制造材料

该领域的目标是围绕增材制造性能表征数据基准，构建知识体系，消除成品材料性能的波动。也就是构建一个范本，以微尺度层面上对增材制造工艺的物理学控制，代替现有的工艺参数和成品微结构控制，完全按照设计实现一致的、可重复的产品微结构和性能。

当前的增材制造工艺和产品零件性能是以一种特定的方式表征的，导致相关数据集不一致、不完整，性能大范围波动、变化不定。因此，需要将相关规范标准化，减少原材料的性能波动；同时，建立更严格的工艺方法和操作指南，更好地实现对增材制造工艺的物理学控制，以完全实现设计的微结构，减少成品材料性能的波动。领域的重点将是开发开源的原材料规范，适应各种机床；开发标准化的后处理指南，比如金属零件的热处理和热等静压，以减少性能波动。

3、增材制造工艺

该领域的目标是提升增材制造机床的速度、精度和细节分辨率，并且能够适应更大批量的生产，同时提升产品零件质量。这就需要开发 “机床级”增材制造工艺性能提升所需的关键技术和相关子系统，与柔性制造系统相类似。这些技术和子系统包括诸如多轴、多功率激光数控子系统，工艺温度梯度控制子系统，以及连续式生产设备等。

当前的增材制造工艺能力存在局限，让很多零件没法在满足经济性的条件下实现批量生产，而且经常需要进行二次后处理，才能达到常规生产方法下的零件特征。因此，需要在许多“机床级”技术方面进行提升，让增材制造从一个主要用于制作快速原型的技术变为一个生产型技术。领域的重点将是开发一系列技术，加速并优化材料的沉积、熔化/烧结/挤压和凝固过程，并且对这些过程进行物理学控制，以提升工艺能力。

“美国制造”增材制造技术路线图示意（1.0版本）

4、增材制造价值链

该领域的目标是逐渐降低端到端价值链成本，缩短增材制造产品的上市时间。研究包括快速合格鉴定/认证方法，以及从全盘角度，在整个产品（从摇篮到摇篮）寿命周期中集成相关技术。这些技术已经在国防部制造技术计划的先进制造企业投资科目中被确认为构建单一集成数字线的首要重点，它们可以帮助确定工人所需技能，比如提升生产率的设计辅助手段和计算机程序。这些技术还能够凸显面向快速设计与检测的新技术需求。

当前的增材制造技术开发工作面向的是价值链上和产品寿命周期中的单个元素，而且开发采用分段的方式，没有使用一种整体的、系统集成的方法来降低成本、缩短周期。因此，需要开发一系列使能技术，更好地将增材制造价值链和产品寿命周期所有元素集成到一起。而且，要认识到随着更复杂的三维梯度材料和多种材料部件的开发，设计和检测将会成为新的瓶颈。领域的重点将是面向整个寿命周期和价值链，开发和集成经济可承受的增材制造技术，降低增材制造零件的总成本，缩短上市时间。

5、增材制造基因组

该领域的目标是针对用于增材制造的新材料设计、开发与合格鉴定，逐渐降低其成本、缩短其时间。这包括开发新计算方法，比如基于物理的、模型辅助的材料性能预测工具；开发验证计算预测方法所需的通用基准数据集；针对增材制造的每个新材料-工艺组合，开发材料性能表征的新概念，打破设计容许值的传统开发路线。

当前的材料开发、表征与合格鉴定方法大都是基于经验的和按属性连续进行的，这样就造成开发和鉴定新增材制造材料与工艺需要一定的成本、时间和风险，阻碍了大规模的技术推广与植入。因此，需要开发新的基于计算的范本，以基因组移动染色体的方式，进行产品和工艺的并行开发，从根本上促进新材料发现、开发和合格鉴定，降低成本并且缩短周期。领域的重点将复制美国早前推出的“国家材料基因组计划”，让新增材制造材料开发和鉴定的时间和成本都减少一半。

早在2011年，美国防务分析研究所就认为增材制造技术的发展应该在过程改进、速度提升、质量控制和材料发掘这4个方向上进行努力，而政府和工业界也应该重视这项技术的商业化。“美国制造”的组建与此结论完全契合，这次提出的5个领域，聚焦了增材制造的设计、材料、工艺、合格鉴定/认证以及基于知识的开发，可以说是涵盖了上述4个方向，并且已经跳出了制造，开始考虑颠覆当前产品设计以及改变传统设计流程上来。而且，按照制造创新机构的使命，这些领域的目标也都是朝着提升增材制造的技术成熟度和制造成熟度而去的，目标的完成必将大幅提升美国增材制造的创新能力和工业基础。

美国国防部增材制造技术路线图（美国空军研究实验室）

三、指南发布对美国增材制造技术发展普及意义重大

按照国家制造创新网络的设计，“美国制造”主要承担了以下四项任务：（1）解决增材制造技术的工程化难题，降低商业化风险和成本；（2）探索一条高效、可持续的“创新-商业化-生产”发展途径；（3）鼓励中小企业在制造上实施创新，并且鼓励它们在生产中应用新技术；（4）培育先进制造技术人才，提高工人技能水平。这份指南的发布正是“美国制造”推动增材制造技术深入美国工业和经济发展的重要一环。

机构运营主任、洛克希德•马丁公司先进制造系统与原型部前高级经理Rob Gorham表示：“这份指南是该机构做出的一个重要投资。通过这份指南，以及空军研究实验室新近启动的项目招标，‘美国制造’将马上获得超过6800万美元的国有和私有资金，用于提升美国增材制造的水平。”

机构负责技术发展的副主任、国防制造与加工中心项目主管John Wilczynski表示：“项目指南兑现了‘美国制造’提升增材制造关键技术成熟度的承诺，必将进一步促进成员之间的知识聚集，从而大幅提升美国的增材制造产业。”

“美国制造”运行模式的一个亮点是在政府主导下集中跨部门、跨行业的优势资源，并且充分强调共享，各成员可以就增材制造相关的设计工具、加工设备、认证手段以及成本核算方法等方面的信息进行交流和共享。两年来，该机构充分利用现有条件和能力，以及政府出资新建或改建的三个分布式制造技术支持中心，帮助企业成员接触和利用已有项目成果以及尖端的设备和工程能力。此外，该机构还组织了各种技能教育和培训，推广应用新技术成果。这些模式是我国实施科技创新时应考虑的，而且欣喜的是，近期的相关科技创新体制改革也正是按照这个套路来进行的。

（航空工业发展研究中心刘亚威）

先进制造业+工业互联网

产业智能官 AI-CPS

加入知识星球“产业智能研究院”：先进制造业OT（自动化+机器人+工艺+精益）和工业互联网IT（云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能）产业智能化技术深度融合，在场景中构建“状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升”的产业智能化平台；实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。

产业智能化平台作为第四次工业革命的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎；重构设计、生产、物流、服务等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生 新技术、新产品、新产业、新业态和新模式； 引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。

产业智能化技术分支用来的今天，制造业者必须了解如何将“智能技术”全面渗入整个公司、产品、业务等商业场景中， 利用工业互联网形成数字化、网络化和智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和焕然新生。