美國制造創(chuàng)新計劃研究

朱宏康，賈豫冬

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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美國制造創(chuàng)新計劃研究

朱宏康，賈豫冬

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

朱宏康

通過分析研究從美國白宮、眾多材料研究學會及國際著名大學等網站所獲取的情報信息，編譯了2016年度美國關于新材料及先進制造的政策，其中主要包括：21世紀美國國家安全科學技術與創(chuàng)新戰(zhàn)略、美國國家制造創(chuàng)新網絡戰(zhàn)略計劃以及美國陸軍發(fā)布的2016～2045年新興科技趨勢報告等。重點闡述了在上述3份報告中均提到的金屬3D打印領域的國際動態(tài)，希望能為國內廣大科研工作者了解美國制造業(yè)創(chuàng)新和新材料研發(fā)前沿動態(tài)提供一定的參考。

先進制造；新材料；創(chuàng)新戰(zhàn)略；增材制造(3D打印)

1 前 言

國家安全涉及的范圍已遠遠超出了軍事力量和國土防御，因此美國國家科技委員會國土與國家安全分委會于2016年5月發(fā)布了《21世紀美國國家安全科學、技術與創(chuàng)新戰(zhàn)略》報告。該報告闡述了美國國家安全在科技和創(chuàng)新背景下的機遇與挑戰(zhàn)，指出科技與創(chuàng)新對于維護美國的全球領導地位、支撐美國國家安全戰(zhàn)略的實現(xiàn)發(fā)揮著至關重要的作用。美國總統(tǒng)行政辦公室、國家科學技術委員會和先進制造國家計劃辦公室于2016年2月發(fā)布的《國家制造創(chuàng)新網絡戰(zhàn)略計劃》，主要用于促進新技術向規(guī)?；?、經濟化和高效本土制造化轉變。美國陸軍2016年4月發(fā)布的《2016～2045年新興科技趨勢——領先預測綜合報告》，目的是為了幫助美國相關部門了解未來30年可能影響國家安全的核心科技，并為國家及社會資本指明了科技投資方向，以確保美國在未來世界中的戰(zhàn)略優(yōu)勢。增材制造(3D打印)這一創(chuàng)新應用在這3份報告中均得到了重點強調。

2 美國21世紀國家安全戰(zhàn)略

2016年5月底，美國國家科技委員會國土與國家安全分委會發(fā)布了《21世紀美國國家安全科學、技術與創(chuàng)新戰(zhàn)略》報告(以下簡稱戰(zhàn)略報告，見圖1)。該戰(zhàn)略報告反映了美國聯(lián)邦政府各部門為履行國家安全使命在科學、技術和創(chuàng)新方面的需求，同時設定了美國國家安全科學、技術和創(chuàng)新力量路線圖，強調了21世紀美國國家安全在全球化技術創(chuàng)新背景下的機遇與挑戰(zhàn)。

圖1 美國國家科技委員會國土與國家安全分委會發(fā)布的《21世紀美國國家安全科學、技術與創(chuàng)新戰(zhàn)略》報告[1]Fig.1 Cover page of A 21th Century Science, Technology, and Innovation Strategy for America’s National Security[1]

戰(zhàn)略報告體現(xiàn)了美國總統(tǒng)奧巴馬政府發(fā)布的《2015年國家安全戰(zhàn)略》的核心要義，認為國家安全科學、技術和創(chuàng)新力量不僅包括在美國聯(lián)邦政府和國家實驗室中工作的科學家和工程師，還包括更廣泛的學術界和產業(yè)鏈中的科技人員，由他們共同不斷推動科學、技術與創(chuàng)新方面的進步，以確保國家軍事和國土防御沒有同級別的競爭對手。同時，他們還必須能夠對新挑戰(zhàn)做出快速響應，如科技全球化帶來的非對稱威脅，自然災害、氣候變化等對人類社會穩(wěn)定的威脅，傳染病等其他人道主義和安全危機等。

戰(zhàn)略報告號召國家安全科學、技術和創(chuàng)新力量的現(xiàn)代化，以確保美國具備：①獲得世界最優(yōu)秀人才的能力，以履行國家安全使命；②擁有聯(lián)合投資具有前瞻性、關鍵國家安全科學與技術所必須的專業(yè)設施的能力；③擁有智能化管理國家安全科學與技術業(yè)務及相關風險的能力；④利用私營企業(yè)變革性框架和創(chuàng)新性實踐成果的能力。

戰(zhàn)略報告共分為以下3個部分：①影響國家安全科學、技術與創(chuàng)新力量的技術趨勢，包括軍事、國土安全、情報、制造業(yè)、先進計算和通信以及可再生、清潔和廉價能源；②國家安全科學、技術與創(chuàng)新力量面臨的挑戰(zhàn)與機遇，其中挑戰(zhàn)包括科學與技術的全球化、非對稱和不可預測威脅、自然災害和人道主義危機、技術能力外移、老化的國家安全科學技術與創(chuàng)新設施、國家安全科學技術與創(chuàng)新人員挑戰(zhàn)；機遇包括國家安全科學技術與創(chuàng)新人員復興機遇、科技與創(chuàng)新外交機遇、科技與創(chuàng)新的全球發(fā)展和穩(wěn)定性機遇；③靈活而富有彈性的國家安全科技與創(chuàng)新力量的政策解決方案，包括人員的素質、流動和多樣化，現(xiàn)代化基礎設施，敏捷和有效地管理以及開放式創(chuàng)新方法等。

戰(zhàn)略報告指出，許多原先的軍用技術進入民用后獲得了更廣闊的發(fā)展空間。譬如雷達和全球定位導航領域的創(chuàng)新，之前該領域一直由國家安全科技與創(chuàng)新力量開發(fā)和利用，當它們進入私有企業(yè)后，這些技術得到了更廣泛的應用?，F(xiàn)今，美國私有商業(yè)技術的進步往往已超越了該技術在美國聯(lián)邦國家安全機構內的發(fā)展。國家安全機構完全有機會在私營企業(yè)的投資中利用其最佳的技術進步成果。

目前眾多正在開發(fā)的新技術具有顯著的軍民兩用潛力。比如工程設計、數學分析和分子生物學的結合對在活的有機體中創(chuàng)造全新的工藝和功能提供了可能，與傳統(tǒng)的DNA重組技術相比具有更大的規(guī)模效應和更快的速度，并能數字化分享這些設計；納米技術保證了工程化應用中新材料的高性能；增材制造(3D打印)將大大縮小零部件設計概念和現(xiàn)實之間的障礙。

新興的基礎研究和應用研究，比如在計算和數據分析、工程材料、納米技術、量子科學、信息物理融合系統(tǒng)等領域，開始為諸如超音速武器運送和未來高度安全的通信能力奠定了基礎。神經科學、人類行為模擬和合成生物學等方面的研究工作也已經融入了安全應用研究。

新技術開發(fā)的成本可以通過應用建模和仿真工具，結合現(xiàn)有的商業(yè)創(chuàng)新和技術，使用開放式系統(tǒng)架構和技術來削減。企業(yè)應提前準備好支持新興的和顛覆性技術的儲備——特別是與國家安全相關領域制造技術的發(fā)展，包括增材制造、納米技術、生物材料、柔性微電子材料等領域。

3 美國國家制造創(chuàng)新網絡戰(zhàn)略計劃

2012年3月，美國奧巴馬政府宣布啟動國家制造業(yè)創(chuàng)新網絡計劃(NNMI)，在重點技術領域建設制造業(yè)創(chuàng)新中心，從而重建美國制造業(yè)在全球的領導地位。經過4年的發(fā)展，NNMI已初見成效。2016年2月19日，美國總統(tǒng)行政辦公室、國家科學技術委員會、先進制造國家計劃辦公室再次發(fā)布《國家制造創(chuàng)新網絡計劃年度報告》及《國家制造創(chuàng)新網絡戰(zhàn)略計劃》(以下簡稱計劃，見圖2)。

圖2 美國總統(tǒng)行政辦公室、國家科學技術委員會、先進制造國家計劃辦公室發(fā)布的《國家制造創(chuàng)新網絡戰(zhàn)略計劃》[2]Fig.2 Cover page of National Network for Manufacturing Innovation Program Strategic Plan[2]

該計劃吸引了美國國防部、能源部、國家標準與技術研究院、商業(yè)部、農業(yè)部、教育部、國家宇航局、國家科學基金、聯(lián)邦航空管理局及食品與藥品監(jiān)督管理局等多部門的積極參與。

美國國防部已建立了6個制造創(chuàng)新研究所：①美國國家增材制造創(chuàng)新研究所(2012年)；②數字化制造與設計創(chuàng)新研究所(2014年)；③輕質金屬制造創(chuàng)新研究所(2014年)；④美國集成光電子制造創(chuàng)新研究所(2015年)；⑤美國柔性混合電子制造創(chuàng)新研究所(2015年)；⑥新型纖維與紡織制造創(chuàng)新研究所(2016年)。

美國能源部也設立了3個制造創(chuàng)新研究所：①新一代電力電子制造創(chuàng)新研究所(2014年)；②先進復合材料制造創(chuàng)新研究所(2015年)；③智能制造創(chuàng)新研究所(2016年)。

作為參與該計劃的聯(lián)邦機構之一，美國宇航局正在努力通過其國家先進制造中心致力于以國家太空任務為中心的先進制造，重點開發(fā)研究太空設施內的“技術平臺”和制造技術，減輕太空飛行設施中材料的重量。美國宇航局自NNMI成立之初就參與了該計劃的活動，并致力于與其他參與機構的合作，解決先進制造業(yè)研究和發(fā)展中的關鍵技術難題，加快先進制造突破性發(fā)展并實現(xiàn)成果轉化。美國宇航局的先進制造研究和開發(fā)主要集中在以下幾個方面：尖端材料、增材制造(3D打印)、聚合物基復合材料、金屬加工、機器人、材料計算物理建模、非破壞性評估和其他高度專業(yè)化的領域。

美國國家科學基金會在NNMI項目中主要支持尺度在納米～千米范圍內引發(fā)革命性進展的基礎研究，包括過程模擬、先進傳感與控制技術、使用環(huán)保材料的智能制造、化學反應器的設計和控制、制造工藝以及使能技術支撐的生物制藥、生物技術、生物能源產業(yè)，并強調效率、經濟效益和環(huán)境影響的最小化。

美國農業(yè)部也認識到先進制造對可持續(xù)的農村經濟利益最大化所起的作用。他們更感興趣的領域包括生物制造和生物制品開發(fā)。其中，納米纖維素材料將會帶來相關領域技術的根本性變化。來源于樹木的纖維素納米材料具有以下特征：①可再生；②可通過太陽能光合作用，僅利用大氣中的CO2和H2O生成；③可儲存C；④長纖維素產品壽命的長短取決于是負碳或碳中性。纖維素納米晶體材料具有類似芳綸的強度和類似石英的壓電性能，可以用來制作光子晶體結構。目前全球纖維素納米材料研究表明，該材料可用于制備新型或改進型產品，包括更輕更韌的紙/紙板產品，更輕、更堅固的建筑材料，耐久木制品，熱障涂層，防護衣，汽車和飛機的復合板，電子產品，生物醫(yī)用產品等。

先進制造涉及到開發(fā)現(xiàn)有產品的制造新方法以及新產品的創(chuàng)造，均源于對新技術的應用。美國國家制造創(chuàng)新網絡戰(zhàn)略計劃有4大目標：①提高美國制造業(yè)的競爭力； ②促進創(chuàng)新技術的可擴展性和成本效益的轉變，全面發(fā)揮本土制造能力； ③加快先進制造業(yè)勞動力的發(fā)展； ④支持促進各個制造創(chuàng)新研究所穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)模式。以上4個目標是支撐美國制造業(yè)創(chuàng)新、相互關聯(lián)的重要元素，以減少前期基礎研究和商業(yè)部署之間的差距，讓美國在聯(lián)邦政府和私營企業(yè)的基礎研究投資中獲得經濟效益和國家安全利益。

美國競爭力委員會確定了10種競爭驅動力，該計劃選取了其中6種作為制造業(yè)競爭驅動力，包括供應鏈、人才創(chuàng)新、本土市場吸引力、能源成本與政策、政府在制造和創(chuàng)新方面的投資以及基礎設施， 用以支持以美國本土制造為主的產品，并促進美國在先進制造業(yè)研究、創(chuàng)新和技術方面的領導地位。

制造成熟度等級(Manufacturing Readiness Levels, MRLs)和技術成熟度等級(Technology Readiness Levels, TRLs)被美國國防部、其他聯(lián)邦機構和行業(yè)用來評估新技術的成熟度。當一個新的系統(tǒng)或組件發(fā)展到MRL 4，它就能夠在實驗室環(huán)境下生產；如果發(fā)展到MRL 7，則它已被證明能夠實現(xiàn)商品化生產。

各個制造創(chuàng)新研究所的重點是將這些創(chuàng)新的制造工藝和技術轉化到國防和商業(yè)應用。各個所引領著早期階段制造能力從MRL4到MRL 7的轉型，提升了美國企業(yè)的可擴展性、成本有效性和高性能的制造能力，重點改造了有前途的制造能力轉化為成熟的制造方法，并向美國工業(yè)部門轉化和過渡有商業(yè)前景的創(chuàng)新制造能力。這兩項功能對于解決具有前景的制造能力和現(xiàn)實應用之間的差距至關重要。

在加速制造業(yè)人力資源建設方面，各個制造創(chuàng)新研究所也發(fā)揮著重要作用。美國教育部和商業(yè)部進行了一系列網絡研討會，比如“以技能為目的，創(chuàng)造下一代制造商”等，其目的在于為科學、技術、工程和數學(STEM)領域相關的工作培養(yǎng)未來制造人才，擴大相關中等和高等教育的途徑(包括認證)，針對先進制造技能要求開展國家和地方教育、協(xié)調培訓課程等，提升下一代技術工人所需具備的能力，并培養(yǎng)高級研究人員和工程師。

為確保穩(wěn)定和可持續(xù)的發(fā)展，各個制造創(chuàng)新研究所以關鍵利益關聯(lián)者作為潛在的成員和合作伙伴。這些利益相關者可能包括大、中、小型工業(yè)企業(yè)，學術機構，聯(lián)邦政府組織，州和地方政府，國家實驗室以及專業(yè)協(xié)會和經濟發(fā)展組織等。制造創(chuàng)新研究所的這種商業(yè)模式定義了不同類別研究所利益相關者的需求、各自的貢獻及回報，并明確了價值周期，從而創(chuàng)造出穩(wěn)定和可持續(xù)的商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

4 美國新興科技趨勢報告

美國陸軍2016年4月發(fā)布了《2016～2045年新興科技趨勢——領先預測綜合報告》(以下簡稱預測報告)。該預測報告長達35頁、圖文并茂，由美國陸軍副助理部長辦公室(研究與技術)委托未來偵察戰(zhàn)略分析公司(FutureScout, LLC)撰寫，旨在幫助美國陸軍理解新興技術趨勢、應對未來的不確定性。該預測報告主要有兩大目標：①使美國陸軍將領及國際利益相關者了解影響未來作戰(zhàn)環(huán)境和塑造未來30年作戰(zhàn)能力的科技趨勢；②激發(fā)陸軍相關科技投資的戰(zhàn)略對話，確保美國在未來作戰(zhàn)中將保持全球優(yōu)勢。

圖3 美國陸軍發(fā)布的《2016～2045年新興科技趨勢——領先預測綜合報告》[4]Fig.3 Cover page of Emerging Science and Technology Trends: 2016～2045 (A Synthesis of Leading Forecasts)[4]

該預測報告分析了過去5年內由美國政府機構、科研機構、咨詢機構、國際研究所、工業(yè)界、智囊團和智庫等發(fā)布的32份科技預測報告，以及在這些報告中提到的690項科技趨勢，通過綜合比對分析，最終提煉并明確了24個最值得關注的新興科技趨勢，其中包括：機器人技術和自動系統(tǒng)、增材制造、大數據分析、人體機能增強系統(tǒng)、移動和云計算、醫(yī)療進步、網絡空間、能源、智慧城市、物聯(lián)網、食物與水技術、量子計算、社交媒體使能、先進數碼產品、混合實境(即虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實)、氣候變化的技術、先進材料、新型武器、太空技術、生物合成等，報告還對城鎮(zhèn)化、氣候變化、資源緊張、人口變遷、創(chuàng)新全球化和全球中產階級的崛起等6大影響社會政治變革、技術和安全的發(fā)展趨勢進行了闡述。

該預測報告結合新興科技發(fā)展趨勢分析，提出了美國軍事在應對未來發(fā)展方面應該思考的5大戰(zhàn)略問題：①除了進行商業(yè)并購，美國陸軍如何更迅速地從技術創(chuàng)新中受益，尤其是商業(yè)研發(fā)成果的應用；②假定創(chuàng)新實現(xiàn)全球化，美國陸軍如何與外國政府和國際研發(fā)中心合作，以確保獲得最新最好的技術；③美國軍隊是否為未來智能技術的發(fā)展所帶來的變化做好準備，以應對競爭對手；④美國陸軍如何更好地與聯(lián)合團體、國際伙伴、非政府組織及其他利益相關者合作，防止許多潛在的“黑暗面”的科技趨勢引發(fā)新的安全挑戰(zhàn)；⑤美國陸軍如何培育新興創(chuàng)新人才，鼓勵自身研發(fā)中心的創(chuàng)新。

當今社會，創(chuàng)新科技不斷涌現(xiàn)，強化了個人與企業(yè)的能力。增材制造(3D打印)用于工業(yè)制造已超過30年，但在最近的10年里，3D打印技術才有了顯著的創(chuàng)新發(fā)展，目前可以打印包含多種材料的復雜物件，比如工具、電子產品、醫(yī)療設施等等。人們可以根據自身需要自定義，實現(xiàn)個性化產品定制。而以虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實(VR和AR)為主的“混合實境”則已經為電子消費產業(yè)注入了活力，未來將應用于更多產業(yè)領域，來傳遞實時的情景感知體驗(AR)，提供身臨其境的視覺、聽覺、嗅覺和觸覺的感受(VR)。

在過去的10年中材料科學取得了顯著的進步，例如，自愈合和自清潔的功能材料、可恢復到原形的形狀記憶合金、可捕獲能量的壓電陶瓷以及具有顯著結構性能和電學性能的納米材料。特別是納米材料在廣泛的應用領域具有巨大的潛力。在納米級(小于100 nm)，碳等普通材料顯現(xiàn)出了獨特的性能，譬如石墨烯。納米材料被廣泛應用于發(fā)動機涂層、飛機和汽車用復合材料、輕體盔甲和高效光伏器件等。除了工業(yè)應用外，制藥公司正在開發(fā)可治療癌癥的納米粒子，大大減少副作用，同時提高治療效果。在未來30年，納米材料和其他新材料，如金屬泡沫和陶瓷復合材料將被應用于服裝、建材、車輛、道路和橋梁等。先進的新材料能夠被利用來生產更輕、更強的防彈衣，更高效的汽車和住房，更強大的電池和可再生能源系統(tǒng)。

在“量子計算”方面，雖然大多數對于量子計算技術的研究興趣集中在如何將其運用于破解密碼，但它可能會成為一項改變許多其他諸如氣候模擬、藥物研究和材料科學等技術領域的革命性技術。據預測，量子計算機的真正商業(yè)化應用可能出現(xiàn)在21世紀40年代中期。

到2045年，“機器人與自主系統(tǒng)”將會被普遍運用，擁有自主系統(tǒng)的無人駕駛汽車在使運輸更加便利和高效的同時也會為共享經濟的崛起注入活力，會對大眾交通運輸和物流造成革命性的改變；機器人將會被應用于照顧老年人、運輸貨物、收獲莊稼、維護公共治安等多個領域。

該預測報告中討論的未來科技發(fā)展趨勢主要集中于在人們日常生活中扮演越來越重要角色的數字和網絡技術。未來30年，該技術將使我們能夠超越生物對人類潛能的限制，通過物聯(lián)網連接的可穿戴設備將直接為我們的感官提供相關的信息覆蓋。此外，增材制造的創(chuàng)新將賦予個人和企業(yè)塑造人類生活物理環(huán)境的新工具。在生物技術領域，合成生物學反映了一種設計生命本身基本遺傳結構的新興能力。隨著全球人口的增長，氣候變化加重了糧食和飲用水的安全，技術進步將成為保證全球人口健康、安全的重要因素。

5 金屬3D打印領域的國際動態(tài)

在上述3份報告中，增材制造(3D打印)技術均得到重點提及，下面就金屬3D打印方面的國際動態(tài)進行闡述。

5.1 3D打印熱造就了眾多新興公司

2016年，在金屬3D打印領域有兩家新興公司特別引人注目，它們分別為挪威的Norsk Titanium和荷蘭的Additive Industries。

通過對1300件3D打印的飛機零部件樣品進行測試后，挪威Norsk Titanium的3D打印零部件取得了美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的航空TRL 8認證 ，意味著這些零部件取得了“飛行資格”。

Norsk Titanium主要向全球航空業(yè)提供其享有專利的快速等離子體沉積(RPD)金屬增材制造技術，該技術能夠將Ti金屬絲轉化成復雜部件以應用于航空結構件。他們先用3D打印近凈成形超大金屬零件，隨后再用減材技術對這些零件進行加工，整個制造過程成本縮減了50%～70%，時間縮短75%。

Norsk Titanium致力于建立一個全球航空航天零部件的供應基地，用3D打印零件取代商用飛機上大量的鍛造件。公司在美國匹斯堡建立了一座工業(yè)級3D打印工廠，與美國鋁業(yè)公司聯(lián)合發(fā)起了一項3D打印工業(yè)合作項目，通過其3D打印子公司Premium AEROTEC開始與波音、空中客車等航空巨頭進行合作。

另一家新興公司為荷蘭的AdditiveIndustries，2016年初其推出了室內工業(yè)級Metal FAB1金屬3D打印機。該公司最初只建造了3套設備，結果3個月之內就被包括空中客車集團子公司APWorks在內的3家公司搶購一空。

5.2 行業(yè)巨頭布局3D打印產業(yè)

雖然對SLM(德國一家選擇性激光熔融專業(yè)公司)的收購失敗了，但美國GE公司最終獲得了Concept Laser(金屬增材制造領域的先驅)75%的股權，還購買到了瑞典Arcam 3D打印公司(電子束熔融金屬3D打印機發(fā)明者)76.15%的股份。他們將與GE先前收購的增材制造企業(yè)，比如Morris Technologies和Rapid Quality Manufacturing互為補充。

對Arcam和Concept Laser的收購表明，美國GE公司志在擴大其3D打印業(yè)務，截至目前，它已經針對增材制造技術投資了大約15億美元，獲得了346項專利。美國GE公司預計，在未來10年內，公司將因此節(jié)約成本30～50億美元。

當然，波音和空客也毫不例外地擴大了其在3D打印技術方面的投入。

5.3 合作型基礎研究改進工藝技術

卡耐基梅隆大學的科學家們利用美國能源部下屬的阿貢國家實驗室的高強度同步輻射X射線等先進設備分析了Ti-6Al-4V 3D打印部件。研究結果表明，在選擇性激光熔化(SLM)或電子束熔融(EBM)3D打印機中使用鈦金屬粉末時，氣體會被困在液態(tài)的金屬層中，從而在3D打印金屬部件內部生成諸多泡沫孔隙。根據觀察到的結果，這些孔隙尺寸小到幾微米、大到幾百微米不等,而且隨機分布，導致3D打印鈦合金部件內部有可能出現(xiàn)裂紋線。

在2016年5月20日出版的ActaMaterialia上，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員Ibo Matthews和他的團隊發(fā)現(xiàn)，激光照射金屬粉末造成的氣體流動，是導致在3D打印過程中激光路徑附近的粉末被驅走的主要驅動力。這一“剝蝕”現(xiàn)象導致了激光在進行下一段照射熔融的時候可用的粉末減少，從而在成品部件中形成了微小的孔隙和缺陷。

同時勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室啟動了一項具有戰(zhàn)略意義的項目——金屬增材制造的加速認證倡議ACAMM(Accelerated Certification of Additively Manufactured Metals Initiative)。該倡議旨在改進金屬3D打印技術和推動其在各行各業(yè)的廣泛應用。這種基于基礎研究的方法將結合物理模型、數據挖掘和不確定性分析，從而優(yōu)化3D打印金屬零部件并加速其認證過程，最終幫助金屬3D打印技術充分發(fā)揮其潛力。

為什么金屬3D打印技術的應用一直沒有達到我們期待的顛覆性水平？LLNL的研究人員表示，首先是因為我們缺乏對復雜金屬增材制造技術的掌握，比如SLM(選擇性激光熔化)等背后關鍵機理的基本理解；其次，3D打印金屬部件的認證時間很長。

因此，ACAMM倡議有兩個主要目標：①開發(fā)過程建模、過程優(yōu)化仿真以及建模的能力；②精簡材料認證策略，對近凈成形金屬零件提供關鍵應用認證，從而大幅降低成本。

另外，密蘇里科技大學的研究人員也與霍尼韋爾聯(lián)邦制造&技術公司合作，主要對基于金屬粉末床的選擇性激光熔融(SLM)技術進行了材料分析。該項目包括5項任務：①粉末特征描述，②材料屬性描述方法，③溫度對材料屬性的影響，④微觀結構和機械性能的控制，⑤與增材制造有關的化學分析。此外，美國能源部先進制造辦公室也認識到先進3D打印金屬粉末產品的研究至關重要。埃姆斯國家實驗室(Ames Lab)和橡樹嶺國家實驗室(ORNL)從美國能源部先進制造辦公室(AMO)獲得了500萬美元資助，以推進增材制造中金屬合金粉末的產品研究。鈦金屬的化學活性大，易受氣體和坩堝材料等的污染。因此，金屬增材制造中最大的難題之一是開發(fā)生產級的新材料。上述兩個研究機構將推進金屬合金粉末的整體生產工藝和成分組成的研究，尋求開發(fā)具有增材制造最佳性能和質量的金屬合金粉末。具體分工是實驗氣體霧化和合金設計將主要在Ames實驗室的粉末合成設施中進行，而ORNL將在其制造示范工廠對材料進行增材制造實驗。

6 結 語

無論《美國國家安全科技與創(chuàng)新戰(zhàn)略》還是《創(chuàng)新制造國家網絡計劃》，均注重“產、學、研、用”的結合，強調了學術交流、資源共享以及成果轉化；其本質與我國近年來所執(zhí)行的“工程中心”、“科研-中試-產業(yè)”、“學術聯(lián)盟”、“產業(yè)聯(lián)盟”等模式有異曲同工之效。區(qū)別在于美國將其提高到了國家層面，政府所占比重較大。

提高核心競爭力是制造業(yè)創(chuàng)新的重中之重。我們應積極與其他機構廣泛合作，確定研究和發(fā)展中的關鍵技術難題，集中資源以應對這些挑戰(zhàn)，加快先進材料的突破性研發(fā)并將其盡快轉變成商業(yè)產品。

綜上所述，石墨烯等新型材料、納米技術、生物神經科學、3D打印技術、信息技術以及人工智能等多領域的結合將孕育新一輪的產業(yè)革新。

References

[1]A21thCenturyScience,Technology,andInnovationStrategyforAmerica’sNationalSecurity[R]. US Committee on Homeland and National Security of the National Science and Technology Council，2016: 5.

[2]NationalNetworkforManufacturingInnovationProgramStrategicPlan[R]. US Executive Office of the President, National Science and Technology Council and Advanced Manufacturing National Program Office, 2016: 2.

[3]NationalNetworkforManufacturingInnovationProgramAnnualReport[R]. US Executive Office of the President, National Science and Technology Council and Advanced Manufacturing National Program Office, 2016: 2.

[4]EmergingScienceandTechnologyTrends: 2016～2045 (ASynthesisofLeadingForecasts)[R]. US Office of the Deputy Assistant Secretary of the Army (Research & Technology)，2016: 4.

(編輯 蓋少飛 王 方)

Research on Policies of American Manufacturing Innovation

ZHU Hongkang, JIA Yudong

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

Through the information obtained from the websites of the White House, various materials research societies and numerous colleges and universities, this paper summarizes three reports released by the United States associated with advanced materials and advanced manufacturing policies, includingA21stCenturyScience,Technology,andInnovationStrategyforAmerica’sNationalSecurity,NationalNetworkforManufacturingInnovationProgramStrategicPlan,andEmergingScienceandTechnologyTrends: 2016～2045 (ASynthesisofLeadingForecasts), and finally introduces the international status and developing trend of metal additive manufacturing(3D Printing)which has been highlighted in all the three reports, hoping to provide scientific researchers with reference on manufacturing innovation and advanced materials development.

advanced manufacturing; advanced materials; innovation; additive manufacturing (3D printing)

2017-03-22

朱宏康，男，1977年生，工程師，Email: zhuhongkang@163.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.05.11

F424

A

1674-3962(2017)05-0395-06