2019年12月，在美國防部舉辦的年度國防制造會議上，美空軍研究實驗室與國家增材製造創新機構簽訂了七年的新合作協議；其資助的
“面向低成本持續保障的先進製造成熟”計劃，以及其參與的“高性能低波動增材製造零件的鑑定框架”項目雙雙獲得國防制造技術成就獎。作為美國國防科研的重要力量，空軍研究實驗室一直致力於推動增材製造這一顛覆性技術的發展，一方面直接出資支持國家級研究機構，並且設立專項計劃鼓勵創新；一方面網羅頂尖科研人員親自參與研發，為未來軍用航空裝備的突破貢獻力量。一、持續資助國家增材製造創新機構，全面支撐增材製造研發2012年8月，國家增材製造創新機構（又稱“美國造”）由美國防部牽頭建立。該機構由國防制造與加工中心領導，旨在集合全美的學術界、工業界、政府機構和非盈利組織的力量，建立區域創新生態系統，促進增材製造領域的技術創新和應用研究，夯實增材製造工業基礎，確保美國在該領域的全球領先地位。“美國造”機構由美空軍研究實驗室（AFRL）代表政府通過 美國防部製造技術計劃提供聯邦資金並實施監管。“美國造”機構成立以來，美空軍研究實驗室已經與其簽訂了兩輪公私合作協議，總金額超過3億美元，有力支撐了這一美國國家制造創新網絡中首個公私合作製造創新機構的高效運轉。
雙方合作緊密7年多來，“美國造”機構在面向增材製造的設計、增材製造工藝優化、增材製造材料性能、增材製造價值鏈推進、增材製造材料基因組這五個技術領域，面向國防安全和經濟發展需求設立了近百個項目，其中大量需求直接來自美空軍研究實驗室。波音、洛馬、諾格、雷神、通用電氣、聯合技術公司等國防制造商參與了大部分項目，同時還支持了眾多成果共享的開源項目，能夠直接將成果轉化到武器裝備研發和生產中。2016年，“美國造”機構幫助國防部制定了符合美國未來軍事需求的增材製造技術路線圖，面向維修與保障、部署與遠征、新部件／系統的採辦這三類應用範圍，識別了提升增材製造技術／製造成熟度的活動，為國防部實施合作與協調投資提供了基礎和框架。2019年雙方簽訂的第三輪政府撥款與成本分攤協議總金額高達3.22億美元，將繼續支持美國防部研究與工程署現代化優先領域中，高超聲速、網絡（賽博）和人工智能/機器學習等領域對增材製造相關技術的需求。
美國防部增材製造路線圖封面（美國防部圖片）二、開展專項研究計劃和挑戰賽，提升增材製造軍事應用水平. 長期支持金屬經濟可承受性計劃，聚焦領域轉向高超和發動機增材製造“金屬經濟可承受性”計劃是美空軍研究實驗室在1999年啟動的，成員包括波音、洛馬等7家國防制造商以及美國主要的軍用金屬材料和零部件生產商，主要目標是大幅降低高性能金屬材料的成本，顯著改善金屬零部件性能，其中金屬增材製造是其重要方向之一。該計劃設立20年來，累積獲得投資超過2.5億美元，有力推動了經濟可承受、革命性的金屬材料和工藝技術的發展，為軍用航空裝備的性能提升和維修保障成本降低做出了巨大貢獻。近年來，美空軍研究實驗室開始面向未來裝備的極端條件需求調整該計劃，比如高溫環境下運行的複雜外形結構方面，其中一個重點就是高超聲速飛行器和下一代航空發動機零部件的增材製造。通過對先進增材製造技術和最佳實踐的持續研究，該計劃將成員們的知識和經驗凝聚到一起，更好地應用到空軍當前和未來裝備，並且惠及美國金屬工業。
金屬經濟可承受計劃成員.設立面向低成本持續保障的先進製造成熟計劃，提升空軍戰備完好性當前美空軍航空器的平均壽命超過28年，由於過時淘汰、製造成本高和數量要求低等原因，老舊飛行器的關鍵零件經常會停產，僅在2017年一季度，美空軍就有1
萬份關鍵零件的生產招標因此而流標。2015年，美空軍研究實驗室與“美國造”機構聯合啟動了面向低成本持續保障的先進製造成熟度提升計劃，旨在通過增材製造技術，按需更換不經濟的損壞或過時零件，快速開發持續保障中心使用的輔助工具，實現老舊航空器的持續、低成本維護和保障。該計劃分為三階段開展，資金超過2700萬美元，支持了36個可快速應用的研究方向，開發了通過零件族完成快速鑑定的方法，並且將36個方向中接近成熟的快速轉化到實際應用中。
面向低成本持續保障的先進製造成熟計劃LOGO
該計劃近來取得了眾多成果。比如，2019年6月，代頓研究院大學通過該計劃與猶他州希爾空軍基地的奧格登航空後勤基地等合作，通過逆向工程、數字建模和增材製造等先進技術，將一副因射滿彈孔而被拆卸的F-16尾翼復原並重新安裝。該項目在缺乏所需工裝和技術數據的情況下，提供了一種新的維修解決方案，最大限度地減少了對複雜工裝的需求，使得這副至少價值60萬美元的機翼得以重新利用，實現了可觀的投資回報率和戰備完好性目標。另一個案例是在2019年11月，代頓研究院大學通過該計劃與通用電氣等合作，開發了一種增材製造的燃油冷卻器，並且啟用了這種新型熱交換器的測試設施，以便空軍評估其製造和性能特性，這不僅將有助於老舊航空器繼續翱翔，還展示了美空軍研究實驗室在實現經濟性的同時讓美空軍在全球競爭中保持領先的承諾。雖然該計劃仍在實施，但現有成果就已顯著提升了美空軍的戰備完好性，這為該計劃獲得2019年度國防制造技術成就獎提供了充分理由。
增材製造高溫樹脂基複合材料燃油冷卻器
.啟動增材製造建模挑戰賽，利用數字工程大幅提高增材製造開發能力
2019年11月，美空軍研究實驗室通過“美國造”機構啟動了增材製造建模挑戰賽，旨在以這種形式激勵工業界和學術界的頂尖人才參與創新，解決確認／提高金屬增材製造模型預測準確性的難題。挑戰賽分為四個方向，分別是宏觀尺度工藝-結構預測、微觀尺度工藝-結構預測、宏觀尺度結構-特性預測、微觀尺度結構-特性預測。通過挑戰賽，美空軍研究實驗室將創建高血緣關係的模型校準數據集，支撐對增材製造金屬零件微觀和宏觀結構層面特性的精確預測，從而能夠智能地解決INCONEL 625鎳鉻合金等材料的各向異性問題，促進增材製造材料和工藝的鑑定。挑戰賽還將促進“美國造”機構增材製造基因組方向的研究，從而加速改變增材製造材料開發的範式。
INCONEL 625合金材料微觀變形研究
三、面向未來軍用航空裝備，大力促進複合材料增材製造創新除了出資和監管“美國造”，美空軍研究實驗室本身也一直站在增材製造技術研發的最前沿，研發對象從高溫陶瓷一直跨越到柔性電子器件。不過，面向未來高性能飛行器和低成本無人機等新需求，複合材料的增材製造成為了美空軍研究實驗室目前關注的焦點，包括連續纖維3D打印、三明治結構、高溫結構以及大尺寸工裝的增材製造、增材製造零件鑑定等，並且近兩年都取得了重要成果。比如，2019年3月，全球複合材料領域頂級展會JEC組委會將年度增材製造創新大獎授予美空軍研究實驗室、洛馬和連續復材公司團隊，以表彰其在連續纖維3D打印技術開發方面的創新成果。該技術可快速輸送、沉積連續纖維增強體以及基體樹脂並原位浸漬、固化，與傳統工藝相比生產速度可提高100倍，纖維體積含量可達到50%～60%。團隊利用該技術快速研製了一個由多種材料3D打印的無人機機翼剖面，一次就集成了由碳纖維、光纖、銅線和鎳鉻鐵線組成的整體結構。2019年6月，美空軍研究實驗室科研人員與布魯克海文國家實驗室合作，首次利用國家同步輻射光源的X光射線，以每秒高達9000張圖像的速度收集數據，分析打印樹脂液滴的結構和動力學，以深度優化連續纖維3D打印工藝。
連續纖維3D打印的無人機機翼剖面
此外，2019年3月美空軍研究實驗室與若干大學合作開發了輕量化的增材製造三明治結構，可以只在需要承受更大力的地方沉積更多材料，同時還可更容易地植入金屬配件和電氣組件，從而為下一代無人機提供具有嵌入式感知、致動、計算或電力的多功能結構並簡化裝配。同月美空軍研究實驗室還和美國航空航天局格倫研究中心等合作，通過激光增材製造開發了迄今能耐最高溫度的樹脂基復材零件，可以承受超過300攝氏度的溫度，有望用於發動機零件或尾噴口附近高溫區域。
2019年9月，美空軍研究實驗室、波音公司和熱木公司團隊面向低成本可消耗飛行器技術計劃的需求，使用大尺寸增材製造工藝生產了一個XQ-58A無人機機身熱壓罐工裝驗證件，顯示了可以在數天而不是數月就開發出複雜工裝、大幅降低其採購週期和成本的潛力。2019年12月獲得國防制造技術成就獎的“高性能低波動增材製造零件的鑑定框架”項目由美空軍研究實驗室與威奇托州立大學國家航空研究所、聯邦航空局等合作，生成了首個聚合物增材製造數據庫和鑑定框架，並且通過“美國造”機構推廣到200多個組織，從而幫助他們設計和生產高質量的航空零件，比如C-17運輸機的航電設備冷卻管。
XQ-58A無人機機身驗證工裝四、結束語
我國從國家層面並沒有美空軍研究實驗室這種性質的軍方／政府科研機構，面向未來我國增材製造產業健康發展，從本文所論述內容的角度，提出幾點初步建議如下。一是由軍方和政府相關部門牽頭，在國家增材製造創新中心框架內，集合全國相關企業、大學和科研院所的力量，面向產業發展和國防應用，制定出臺增材製造技術路線圖並定期更新，引導業界不斷突破創新並夯實產業基礎。二是相關政府部門牽頭，按照技術／製造成熟度階段明確增材製造創新界面，強化不同階段創新實體間的知識產權管理，梳理並優化我國增材製造創新鏈結構，進一步鼓勵基礎研究和競爭前技術聯合研發。三是軍方用戶牽頭，面向未來作戰模式和武器裝備需求，設立有長期資金支持、可快速啟動項目的專項攻關計劃或創新挑戰賽，特別是針對航空裝備，加強複合材料增材製造領域的研究部署。
劉亞威先生已為《空天防務觀察》提供的第69篇專欄文章，如下表所示：
<table><tbody>美國數字製造與設計創新機構助力美國智能製造
2015年2月16日
非熱壓罐成形技術用於MS-21機翼主承力構件生產
2月23日
熱塑性複合材料加速進入民機主承力結構
2月25日
軌道加工工藝顛覆航空異種材料構件制孔
2月27日
增材製造（3D打印）——“美國製造，美國能行！”
3月11日
2014，美國國家制造創新網絡雛形初現
揭秘莫納什大學增材製造中心——澳大利亞增材製造先鋒
4月22日
美國通用電氣公司“工業互聯網”——兩大革命共鳴下的智能製造新前景
5月27日
美國通用電氣公司——高端增材製造技術的領軍者
6月1日
“數字製造”VS“智能製造”
8月17日
你應知道的集成光子學和集成光子學制造創新機構
8月24日
波音採用創新技術製造NASA新概念飛機機身
9月28日
無人機複合材料結構低成本製造技術（節選）
10月9日
你應知道的柔性混合電子學和柔性混合電子學制造創新機構
10月14日
解讀美國國家制造創新網絡中製造創新機構的分級會員制
11月23日
德國“工業4.0”之“智慧工廠”計劃（上）、（中）、（下）
12月18日、21日和23日
美國國家增材製造創新機構的技術路線圖和項目概覽（上）、（下）
2016年1月8日、15日
美國國家制造創新網絡計劃2015年實施亮點
2月15日
美國政府發佈首份國家制造創新網絡年度報告和戰略計劃
2月22日
美國國家制造創新網絡戰略計劃要點
3月4日
工業互聯網聯盟與工業4.0平臺的合作始末
4月1日
航空製造領域即將發生五個變革
4月6日
你應知道的革命性纖維與織物和革命性纖維與織物製造創新機構
美國國家制造創新網絡的知識產權管理
5月11日
十八張圖說新工業革命與未來航空製造
5月17日
十七張圖說波音創新制造新概念飛機機身和民機主承力構件非熱壓罐製造
5月23日
人——航空智造轉型之路的核心資產
定位高端——航空增材製造技術
6月6日
美空軍“未來工廠”願景與專項計劃
6月29日
美國政府提出先進製造業優先技術領域（上）、（下）
7月5日、7月7日
美國智能製造領導力聯盟——美國國家智能製造創新機構的領導者（上）、（下）
7月11日、7月13日
“增強現實”助力航空智能製造
9月8日
美國製造創新機構運行效果的評價
10月19日
美國數字製造與設計創新機構的項目機制
10月21日
美國洛馬公司深度參與國家制造創新網絡
10月24日
飛機部裝邁向智能化
11月21日
新工業革命下航空智能製造的三大典型範例
11月30日
航空製造改變未來製造業：再次認識製造與未來航空製造
12月26日
航空製造改變未來製造業：重新定義製造業
12月28日
美國防部發布增材製造路線圖
2017年3月1日
解讀美國先進生物組織製備製造創新機構
3月8日
解讀美國防部先進機器人制造創新機構
5月8日
英國高價值製造戰略與航空製造創新
5月17日
美國防部先進輕量化材料製造創新機構一覽
5月24日
虛擬現實／增強現實技術支撐航空智能製造轉型
5月31日
淺談智慧院所／智能車間信息化能力建設需求
8月30日
五大航空製造商製造創新實體
9月13日
數字線索助力美空軍航空裝備壽命週期決策
9月27日
AS6500標準將協助美軍加強採辦項目製造成熟度管理
12月6日
美軍希望擴展製造成熟度應用範圍（上）、（下）
12月15日、12月18日
美國洛馬公司利用數字孿生提速F-35戰鬥機生產
12月27日
管窺美軍數字工程戰略——迎接數字時代的轉型
2018年2月11日
淺析美國軍民一體化製造創新——對美國國家制造創新網絡運行邏輯的獨家透視
8月1日
智能技術助力美軍航空裝備保障
8月15日
自動化在線檢測提速未來航空複合材料製造（上）、（下）
8月29日、
8月31日
萬物互聯網：終極軍用互聯網
9月17日
航空製造的萬物互聯（演示文稿）
10月8日
以“超越比例縮放”推動“電子器件復興”——美軍關注後摩爾時代芯片創新發展
11月2日
美國防部數字工程戰略解讀（上）、（中）、（下）
11月18日、
2019年4月1日、4月10日
先進技術保護航空增材製造數字線索的安全
11月28日
看看什麼叫工業強國：創造歷史的波音777X客機機翼製造創新！
2019年1月28日
航空製造推動新概念機器人發展（上）、（下）
5月27日、
5月28日
美軍航空裝備採辦正向數字工程轉型
7月12日
連續纖維3D打印或開啟無人機新熱潮，顛覆航空複合材料製造模式
9月30日
揭秘激光微射流加工——航空結構加工新利器
2020年1月16日
再攀高峰！美空軍研究實驗室與“美國造”續簽七年合作協議
1月19日
不要最炫，只要最對！波音B777X機身裝配上演“人換機器”
2月10日
“下一步行動”計劃擴大！美軍通過製造技能培訓推動人才“軍轉民”
3月9日
美空軍研究實驗室推動增材製造技術發展（即本篇）
3月12日
（中國航空工業發展研究中心 劉亞威）
本篇供稿：系統工程研究所
閱讀更多 空天防務觀察 的文章
