【3D打印】美国国防部公布3D打印路线图

2016年11月30日，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

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

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。