【機(jī)床商務(wù)網(wǎng) 機(jī)床上下游】2016年11月30日，美國(guó)防部發(fā)布《增材制造路線圖》(下稱(chēng)“路線圖”)。該路線圖由美國(guó)增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(美利堅(jiān)造)和德勤公司負(fù)責(zé)制定，美陸海空三軍和國(guó)防后勤局全程參與。路線圖面向維修與保障、部署與遠(yuǎn)征、新部件/系統(tǒng)的采辦這3類(lèi)應(yīng)用范圍，從設(shè)計(jì)、材料、工藝和價(jià)值鏈4個(gè)技術(shù)領(lǐng)域出發(fā)，針對(duì)系統(tǒng)、地提升增材制造技術(shù)/制造成熟度的活動(dòng)，為國(guó)防部實(shí)施合作與協(xié)調(diào)投資提供了基礎(chǔ)和框架。
 

　　一、路線圖面向三類(lèi)應(yīng)用范圍
 

　　美國(guó)防部認(rèn)為在第三個(gè)“抵消戰(zhàn)略”中，增材制造將直接促成若干先進(jìn)新興技術(shù)的應(yīng)用，并且為未來(lái)持續(xù)保障提供至關(guān)重要的新手段，對(duì)于確保“抵消”來(lái)說(shuō)必不可少。增材制造將在維修與保障、部署與遠(yuǎn)征、新部件/系統(tǒng)的采辦這3類(lèi)應(yīng)用范圍內(nèi)使國(guó)防部和美國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)受益。
 

　　表1 增材制造支撐國(guó)防部戰(zhàn)略目標(biāo)
 

1.維修與保障
 

　　應(yīng)用地點(diǎn)主要位于后勤中心、機(jī)庫(kù)和本土作戰(zhàn)基地。應(yīng)用方向主要有4個(gè)：1)零件制造——特別是在替換已過(guò)時(shí)淘汰的零件和電子器件時(shí);2)使用增材制造方法維修;3)制造過(guò)程輔助——包括模具、工裝、夾具等;4)原型制造——用于快速創(chuàng)新和逆向工程。
 

　　2.部署與遠(yuǎn)征
 

　　應(yīng)用地點(diǎn)主要位于航母、潛艇、戰(zhàn)場(chǎng)和海外作戰(zhàn)基地。應(yīng)用方向主要有3個(gè)：1)零件快速制造——能夠縮短后勤鏈條并按需生產(chǎn)關(guān)鍵任務(wù)零件;2)使用增材制造方法維修;3)原型制造。
 

　　3.新部件/系統(tǒng)的采辦
 

　　應(yīng)用地點(diǎn)主要位于新采辦平臺(tái)的承包商和供應(yīng)鏈。應(yīng)用方向主要有3個(gè)：1)新部件和系統(tǒng)——通過(guò)面向增材制造的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢(shì);2)制造過(guò)程輔助;3)原型制造——用于部件/系統(tǒng)的快速研制。國(guó)防部認(rèn)為可直接應(yīng)用增材制造的新部件/系統(tǒng)包括：航空航天、地面和海上運(yùn)載器的結(jié)構(gòu)與輔助部件，集成電子器件、天線、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，保形孔徑和可重構(gòu)電子器件，電力和能量捕獲/存儲(chǔ)，個(gè)人防護(hù)(如裝甲和傳感器)，醫(yī)學(xué)移植和修補(bǔ)，醫(yī)藥品，食物，掩體等。
 

　　二、路線圖包含四個(gè)技術(shù)領(lǐng)域
 

　　路線圖包含設(shè)計(jì)、材料、工藝、價(jià)值鏈4個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，這與“美利堅(jiān)造”2015年發(fā)布的反映工業(yè)界廣泛需求的機(jī)構(gòu)路線圖保持一致，包括雷神和羅羅在內(nèi)的諸多國(guó)防制造商已將其內(nèi)部研發(fā)投資按照機(jī)構(gòu)路線圖進(jìn)行了重組。國(guó)防部路線圖完整考慮了國(guó)防部各軍種/相關(guān)部門(mén)的需求，利用它能夠更好地協(xié)調(diào)投資，并就國(guó)防部?jī)?nèi)外的當(dāng)前需求和相關(guān)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行有效交流，促進(jìn)增材制造技術(shù)/制造成熟度的提升。
 

　　1.設(shè)計(jì)
 

　　在新的設(shè)計(jì)手段和工具上驅(qū)動(dòng)技術(shù)提升，打破設(shè)計(jì)增材制造零件的舊有模式。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將消除傳統(tǒng)CAD/CAM軟件造成的約束，釋放增材制造技術(shù)的潛力。路線圖聚焦設(shè)計(jì)工具的標(biāo)準(zhǔn)化，以及降低從事增材制造設(shè)計(jì)門(mén)檻，特別強(qiáng)調(diào)逆向工程和醫(yī)療應(yīng)用。包括4個(gè)目標(biāo)：
 

　　(1)開(kāi)發(fā)耐久、集成和智能的設(shè)計(jì)工具。這一系列工具在國(guó)防部和工業(yè)基礎(chǔ)內(nèi)都是可集成和互操作的。此舉將優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，減少研制周期，獲得高性能產(chǎn)品。
 

　　(2)實(shí)現(xiàn)面向增材制造的設(shè)計(jì)。這需要建立必要的流程和基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)手段的設(shè)計(jì)協(xié)同。此舉將增強(qiáng)快速交付部隊(duì)的能力。
 

　　(3)提升逆向工程能力。這需要為增材制造的持續(xù)保障應(yīng)用開(kāi)發(fā)相應(yīng)工具、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。此舉將推動(dòng)增材制造發(fā)展，使作戰(zhàn)單元更加自給自足，并增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)用戶的創(chuàng)新能力。
 

　　(4)制定面向功能性的設(shè)計(jì)(基于應(yīng)用的設(shè)計(jì))的指導(dǎo)方針。這需要評(píng)價(jià)需求并確定如何針對(duì)增材制造工藝設(shè)計(jì)組件。此舉將增材制造的好處與設(shè)計(jì)需求匹配，滿足指定武器系統(tǒng)的需求。
 

　　2.材料
 

　　掌握增材制造背后的材料科學(xué)，面向性能表征的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)建知識(shí)體，消除成品材料性能的波動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)、材料-工藝-性能關(guān)系的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及完整增材制造工藝的預(yù)測(cè)性仿真對(duì)于這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。國(guó)防部特別強(qiáng)調(diào)中央數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)/模型標(biāo)準(zhǔn)化和管理，利用先進(jìn)綜合計(jì)算材料工程的合格鑒定和認(rèn)證，以及特定類(lèi)型材料的開(kāi)發(fā)。包括6個(gè)目標(biāo)：
 

　　(1)定義標(biāo)準(zhǔn)增材制造材料的需求。這需要掌握材料性能與增材制造工藝和零件性能的關(guān)系，確定給料的關(guān)鍵特性并建立標(biāo)準(zhǔn)。此舉將形成一個(gè)可互操作的國(guó)防部增材制造框架，提高零部件性能的可預(yù)測(cè)性。
 

　　(2)建立供應(yīng)商資格認(rèn)證程序，鼓勵(lì)擴(kuò)大材料供應(yīng)源。這需要定義并應(yīng)用認(rèn)證需求以確保材料滿足所有必需的生產(chǎn)要求。此舉將擴(kuò)大可用于設(shè)計(jì)的材料的范圍，提高零部件性能。
 

　　(3)研發(fā)增材制造材料。這需要針對(duì)國(guó)防部需求評(píng)價(jià)當(dāng)前可用的增材制造材料，并且開(kāi)發(fā)新材料以彌補(bǔ)應(yīng)用上的差距。此舉將為滿足國(guó)防部需求而開(kāi)展的增材制造材料研發(fā)活動(dòng)建立優(yōu)先級(jí)。
 

　　(4)創(chuàng)建明確的、可訪問(wèn)的譜系化數(shù)據(jù)集及架構(gòu)。這需要面向國(guó)防部使用而建立架構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)以收集、格式化和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。此舉將建立的數(shù)據(jù)集，用于仿真和參考引用。
 

　　(5)建立一個(gè)國(guó)防部層面的增材制造材料和工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。這一數(shù)據(jù)庫(kù)需要是實(shí)時(shí)的、安全可訪問(wèn)的、標(biāo)準(zhǔn)化的。此舉將建立一個(gè)材料、工藝和性能參數(shù)的獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)，提高研究的速度和質(zhì)量。
 

　　(6)開(kāi)發(fā)基于模型的方法，加速材料的合格鑒定與認(rèn)證。這需要開(kāi)發(fā)先進(jìn)的計(jì)算方法，如通過(guò)減少物理試驗(yàn)需求而減少設(shè)計(jì)和工藝迭代。此舉將確保增材制造零部件的質(zhì)量。
 

　　3.工藝
 

　　在實(shí)現(xiàn)更快速、更和更高解析度增材制造的機(jī)床方面驅(qū)動(dòng)技術(shù)提升，改善制造工藝和零件表面質(zhì)量。國(guó)防部路線圖突出了以下需求：提升原位感知和反饋控制，開(kāi)發(fā)一套新工藝能力(包括遠(yuǎn)征應(yīng)用)，以及更耐久的標(biāo)準(zhǔn)。包括4個(gè)目標(biāo)：
 

　　(1)開(kāi)發(fā)無(wú)損評(píng)價(jià)和工藝流程控制方法。這需要開(kāi)發(fā)相關(guān)感知、控制和無(wú)損評(píng)價(jià)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加工的一致性和質(zhì)量的確認(rèn)。此舉將增強(qiáng)機(jī)床的感知能力，收集數(shù)據(jù)以確保質(zhì)量。
 

　　(2)建立穩(wěn)定和耐久的增材制造工藝。這需要確保工藝穩(wěn)定性和設(shè)備堅(jiān)固耐用。此舉將通過(guò)穩(wěn)定工藝和強(qiáng)化設(shè)備，擴(kuò)展增材制造的應(yīng)用。
 

　　(3)研制開(kāi)放式架構(gòu)的設(shè)備。這需要發(fā)展擁有開(kāi)放式接口的軟硬件，監(jiān)測(cè)和控制工藝流程。此舉將通過(guò)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保傳遞性和互操作性。
 

　　(4)改進(jìn)已有的工藝能力或開(kāi)發(fā)新的工藝能力。這需要開(kāi)發(fā)一系列新工藝和新型機(jī)床。通過(guò)改變或開(kāi)發(fā)工藝流程，此舉將提升增材制造在各種情況下的適用性。
 

　　4.價(jià)值鏈
 

　　通過(guò)商業(yè)案例分析、全壽命周期分析和檢測(cè)等，面向端到端價(jià)值鏈的增材制造產(chǎn)品成本和上市周期，在實(shí)現(xiàn)大幅降低成本和周期方面鼓勵(lì)技術(shù)提升。這一領(lǐng)域包含數(shù)字主線(Digital Thread)，這是一個(gè)基于IT的中樞，將供應(yīng)鏈的不同部分?jǐn)?shù)字化地連接到一起。國(guó)防部路線圖聚焦數(shù)字主線，構(gòu)建增材制造的商業(yè)/作戰(zhàn)案例，以及將增材制造與傳統(tǒng)供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)緊密集成。包括5個(gè)目標(biāo)：
 

　　(1)構(gòu)建成本模型和決策工具。通過(guò)此舉將掌握何時(shí)、何地以及如何應(yīng)用增材制造。
 

　　(2)開(kāi)發(fā)零部件和系統(tǒng)的合格鑒定與認(rèn)證方法。此舉將確保零部件的質(zhì)量，并確保與現(xiàn)有的和新的國(guó)防部政策相協(xié)調(diào)。
 

　　(3)建立賽博基礎(chǔ)設(shè)施(軟件和硬件)，確保賽博安全。這需要圍繞全壽命周期的數(shù)字主線，開(kāi)發(fā)安全的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。此舉將面向制造過(guò)程中端到端的連通性，確保信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的安全。
 

　　(4)建立增材制造的物理基礎(chǔ)設(shè)施。這需要面向研發(fā)、生產(chǎn)和持續(xù)保障，計(jì)劃并開(kāi)始部署增材制造能力。此舉將啟動(dòng)跨國(guó)防部機(jī)構(gòu)的增材制造機(jī)床安裝。
 

　　(5)商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，涉及增材制造的知識(shí)產(chǎn)權(quán)、數(shù)據(jù)權(quán)利和承包合同問(wèn)題。此舉將建立共同議定、達(dá)成一致的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，確保將增材制造無(wú)縫集成進(jìn)現(xiàn)有供應(yīng)鏈。
 

　　表2 路線圖
 

三、路線圖強(qiáng)調(diào)四個(gè)使能要素
 

　　國(guó)防部認(rèn)為文化改變、勞動(dòng)力發(fā)展、數(shù)據(jù)管理、政策改變是增材制造路線圖成功實(shí)施的4個(gè)使能要素。
 

　　1.文化改變
 

　　增進(jìn)對(duì)增材制造的了解并接受增材制造，驅(qū)動(dòng)組織認(rèn)同并采用增材制造。關(guān)鍵舉措包括：提高組織人員增材制造的接受度，成立增材制造實(shí)踐團(tuán)體，創(chuàng)建協(xié)同環(huán)境促進(jìn)信息交流。
 

　　2.勞動(dòng)力發(fā)展
 

　　通過(guò)適當(dāng)?shù)慕逃箛?guó)防部勞動(dòng)力掌握增材制造技能，提升生產(chǎn)效能。關(guān)鍵舉措包括：綜合業(yè)界和學(xué)界佳實(shí)踐，創(chuàng)建綜合培訓(xùn)課程，招募具備領(lǐng)導(dǎo)力的人才。
 

　　3.數(shù)據(jù)管理
 

　　開(kāi)發(fā)政策、架構(gòu)和程序，特別是使用數(shù)字主線，準(zhǔn)確管理海量的多模態(tài)增材制造數(shù)據(jù)，促進(jìn)信息交流并保護(hù)敏感數(shù)據(jù)。關(guān)鍵舉措包括：開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)或平臺(tái)，制定數(shù)據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-存儲(chǔ)的賽博安全。
 

　　4.政策改變
 

　　修改組織的管理方式以實(shí)現(xiàn)增材制造的效益。
 

　　四、路線圖提出三點(diǎn)建議
 

　　路線圖建議協(xié)調(diào)國(guó)家防務(wù)資源，加快路線圖實(shí)施，以達(dá)到改進(jìn)后勤、提升和創(chuàng)新產(chǎn)品、增加裝備完好性的國(guó)防部共同目標(biāo)。
 

　　步，進(jìn)一步凝練和落地——面向增材制造能力提升，設(shè)立一個(gè)在整個(gè)國(guó)防部范圍內(nèi)協(xié)調(diào)好的計(jì)劃。
 

　　第二步，啟動(dòng)執(zhí)行——面向增材制造能力發(fā)展，開(kāi)始執(zhí)行整個(gè)國(guó)防部范圍的協(xié)調(diào)計(jì)劃。
 

　　第三步，持續(xù)改進(jìn)——在整個(gè)國(guó)防部?jī)?nèi)持續(xù)發(fā)展增材制造能力，在增材制造技術(shù)走向成熟時(shí)滾動(dòng)更新增材制造路線圖。
 

路線圖制訂中的多階段工作組方法
 

　　五、結(jié)束語(yǔ)
 

　　美國(guó)防部十分重視增材制造在第三個(gè)“抵消戰(zhàn)略”中的使能作用，此番發(fā)布的增材制造路線圖完整考慮了采辦、使用和保障需求，并且從大的技術(shù)領(lǐng)域上與工業(yè)界需求保持了統(tǒng)一，為未來(lái)美國(guó)軍方和業(yè)界提升增材制造技術(shù)/制造成熟度提供了清晰路徑，也為我國(guó)發(fā)展并在武器裝備全壽命周期應(yīng)用增材制造提供了重要參考。此外，路線圖強(qiáng)調(diào)的文化和政策改變、勞動(dòng)力發(fā)展以及數(shù)據(jù)管理的若干關(guān)鍵舉措，特別是數(shù)字主線的使用，對(duì)我國(guó)具有借鑒意義。
 

　　(原標(biāo)題：美國(guó)國(guó)防部公布3D打印路線圖)