2019年12月，在美國防部舉辦的年度國防制造會(huì)議上，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室與國家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)簽訂了七年的新合作協(xié)議；其資助的“面向低成本持續(xù)保障的先進(jìn)制造成熟”計(jì)劃，以及其參與的“高性能低波動(dòng)增材制造零件的鑒定框架”項(xiàng)目雙雙獲得國防制造技術(shù)成就獎(jiǎng)。作為美國國防科研的重要力量，空軍研究實(shí)驗(yàn)室一直致力于推動(dòng)增材制造這一顛覆性技術(shù)的發(fā)展，一方面直接出資支持國家級(jí)研究機(jī)構(gòu)，并且設(shè)立專項(xiàng)計(jì)劃鼓勵(lì)創(chuàng)新；一方面網(wǎng)羅頂尖科研人員親自參與研發(fā)，為未來軍用航空裝備的突破貢獻(xiàn)力量。

一、持續(xù)資助國家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，全面支撐增材制造研發(fā)

2012年8月，國家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（又稱“美國造”）由美國防部牽頭建立。該機(jī)構(gòu)由國防制造與加工中心領(lǐng)導(dǎo)，旨在集合全美的學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、政府機(jī)構(gòu)和非盈利組織的力量，建立區(qū)域創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)增材制造領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用研究，夯實(shí)增材制造工業(yè)基礎(chǔ)，確保美國在該領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位。“美國造”機(jī)構(gòu)由美空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）代表政府通過美國防部制造技術(shù)計(jì)劃提供聯(lián)邦資金并實(shí)施監(jiān)管。“美國造”機(jī)構(gòu)成立以來，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)與其簽訂了兩輪公私合作協(xié)議，總金額超過3億美元，有力支撐了這一美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中首個(gè)公私合作制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

雙方合作緊密

7年多來，“美國造”機(jī)構(gòu)在面向增材制造的設(shè)計(jì)、增材制造工藝優(yōu)化、增材制造材料性能、增材制造價(jià)值鏈推進(jìn)、增材制造材料基因組這五個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，面向國防安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求設(shè)立了近百個(gè)項(xiàng)目，其中大量需求直接來自美空軍研究實(shí)驗(yàn)室。波音、洛馬、諾格、雷神、通用電氣、聯(lián)合技術(shù)公司等國防制造商參與了大部分項(xiàng)目，同時(shí)還支持了眾多成果共享的開源項(xiàng)目，能夠直接將成果轉(zhuǎn)化到武器裝備研發(fā)和生產(chǎn)中。2016年，“美國造”機(jī)構(gòu)幫助國防部制定了符合美國未來軍事需求的增材制造技術(shù)路線圖，面向維修與保障、部署與遠(yuǎn)征、新部件／系統(tǒng)的采辦這三類應(yīng)用范圍，識(shí)別了提升增材制造技術(shù)／制造成熟度的活動(dòng)，為國防部實(shí)施合作與協(xié)調(diào)投資提供了基礎(chǔ)和框架。2019年雙方簽訂的第三輪政府撥款與成本分?jǐn)倕f(xié)議總金額高達(dá)3.22億美元，將繼續(xù)支持美國防部研究與工程署現(xiàn)代化優(yōu)先領(lǐng)域中，高超聲速、網(wǎng)絡(luò)（賽博）和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃煜嚓P(guān)技術(shù)的需求。

美國防部增材制造路線圖封面（美國防部圖片）

二、開展專項(xiàng)研究計(jì)劃和挑戰(zhàn)賽，提升增材制造軍事應(yīng)用水平

1. 長期支持金屬經(jīng)濟(jì)可承受性計(jì)劃，聚焦領(lǐng)域轉(zhuǎn)向高超和發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造

“金屬經(jīng)濟(jì)可承受性”計(jì)劃是美空軍研究實(shí)驗(yàn)室在1999年啟動(dòng)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(chǎn)商，主要目標(biāo)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，其中金屬增材制造是其重要方向之一。該計(jì)劃設(shè)立20年來，累積獲得投資超過2.5億美元，有力推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)可承受、革命性的金屬材料和工藝技術(shù)的發(fā)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(xiàn)。近年來，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室開始面向未來裝備的極端條件需求調(diào)整該計(jì)劃，比如高溫環(huán)境下運(yùn)行的復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)方面，其中一個(gè)重點(diǎn)就是高超聲速飛行器和下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的增材制造。通過對(duì)先進(jìn)增材制造技術(shù)和最佳實(shí)踐的持續(xù)研究，該計(jì)劃將成員們的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)鄣揭黄穑玫貞?yīng)用到空軍當(dāng)前和未來裝備，并且惠及美國金屬工業(yè)。

金屬經(jīng)濟(jì)可承受計(jì)劃成員

2. 設(shè)立面向低成本持續(xù)保障的先進(jìn)制造成熟計(jì)劃，提升空軍戰(zhàn)備完好性

當(dāng)前美空軍航空器的平均壽命超過28年，由于過時(shí)淘汰、制造成本高和數(shù)量要求低等原因，老舊飛行器的關(guān)鍵零件經(jīng)常會(huì)停產(chǎn)，僅在2017年一季度，美空軍就有1萬份關(guān)鍵零件的生產(chǎn)招標(biāo)因此而流標(biāo)。2015年，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室與“美國造”機(jī)構(gòu)聯(lián)合啟動(dòng)了面向低成本持續(xù)保障的先進(jìn)制造成熟度提升計(jì)劃，旨在通過增材制造技術(shù)，按需更換不經(jīng)濟(jì)的損壞或過時(shí)零件，快速開發(fā)持續(xù)保障中心使用的輔助工具，實(shí)現(xiàn)老舊航空器的持續(xù)、低成本維護(hù)和保障。該計(jì)劃分為三階段開展，資金超過2700萬美元，支持了36個(gè)可快速應(yīng)用的研究方向，開發(fā)了通過零件族完成快速鑒定的方法，并且將36個(gè)方向中接近成熟的快速轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用中。

面向低成本持續(xù)保障的先進(jìn)制造成熟計(jì)劃LOGO

該計(jì)劃近來取得了眾多成果。比如，2019年6月，代頓研究院大學(xué)通過該計(jì)劃與猶他州希爾空軍基地的奧格登航空后勤基地等合作，通過逆向工程、數(shù)字建模和增材制造等先進(jìn)技術(shù)，將一副因射滿彈孔而被拆卸的F-16尾翼復(fù)原并重新安裝。該項(xiàng)目在缺乏所需工裝和技術(shù)數(shù)據(jù)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(duì)復(fù)雜工裝的需求，使得這副至少價(jià)值60萬美元的機(jī)翼得以重新利用，實(shí)現(xiàn)了可觀的投資回報(bào)率和戰(zhàn)備完好性目標(biāo)。另一個(gè)案例是在2019年11月，代頓研究院大學(xué)通過該計(jì)劃與通用電氣等合作，開發(fā)了一種增材制造的燃油冷卻器，并且啟用了這種新型熱交換器的測試設(shè)施，以便空軍評(píng)估其制造和性能特性，這不僅將有助于老舊航空器繼續(xù)翱翔，還展示了美空軍研究實(shí)驗(yàn)室在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)讓美空軍在全球競爭中保持領(lǐng)先的承諾。雖然該計(jì)劃仍在實(shí)施，但現(xiàn)有成果就已顯著提升了美空軍的戰(zhàn)備完好性，這為該計(jì)劃獲得2019年度國防制造技術(shù)成就獎(jiǎng)提供了充分理由。 

增材制造高溫樹脂基復(fù)合材料燃油冷卻器

3. 啟動(dòng)增材制造建模挑戰(zhàn)賽，利用數(shù)字工程大幅提高增材制造開發(fā)能力

2019年11月，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室通過“美國造”機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了增材制造建模挑戰(zhàn)賽，旨在以這種形式激勵(lì)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的頂尖人才參與創(chuàng)新，解決確認(rèn)／提高金屬增材制造模型預(yù)測準(zhǔn)確性的難題。挑戰(zhàn)賽分為四個(gè)方向，分別是宏觀尺度工藝-結(jié)構(gòu)預(yù)測、微觀尺度工藝-結(jié)構(gòu)預(yù)測、宏觀尺度結(jié)構(gòu)-特性預(yù)測、微觀尺度結(jié)構(gòu)-特性預(yù)測。通過挑戰(zhàn)賽，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室將創(chuàng)建高血緣關(guān)系的模型校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，支撐對(duì)增材制造金屬零件微觀和宏觀結(jié)構(gòu)層面特性的精確預(yù)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(jìn)增材制造材料和工藝的鑒定。挑戰(zhàn)賽還將促進(jìn)“美國造”機(jī)構(gòu)增材制造基因組方向的研究，從而加速改變?cè)霾闹圃觳牧祥_發(fā)的范式。 

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(jìn)復(fù)合材料增材制造創(chuàng)新

除了出資和監(jiān)管“美國造”，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室本身也一直站在增材制造技術(shù)研發(fā)的最前沿，研發(fā)對(duì)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(jī)等新需求，復(fù)合材料的增材制造成為了美空軍研究實(shí)驗(yàn)室目前關(guān)注的焦點(diǎn)，包括連續(xù)纖維3D打印、三明治結(jié)構(gòu)、高溫結(jié)構(gòu)以及大尺寸工裝的增材制造、增材制造零件鑒定等，并且近兩年都取得了重要成果。

比如，2019年3月，全球復(fù)合材料領(lǐng)域頂級(jí)展會(huì)JEC組委會(huì)將年度增材制造創(chuàng)新大獎(jiǎng)授予美空軍研究實(shí)驗(yàn)室、洛馬和連續(xù)復(fù)材公司團(tuán)隊(duì)，以表彰其在連續(xù)纖維3D打印技術(shù)開發(fā)方面的創(chuàng)新成果。該技術(shù)可快速輸送、沉積連續(xù)纖維增強(qiáng)體以及基體樹脂并原位浸漬、固化，與傳統(tǒng)工藝相比生產(chǎn)速度可提高100倍，纖維體積含量可達(dá)到50%～60%。團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)快速研制了一個(gè)由多種材料3D打印的無人機(jī)機(jī)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(jié)構(gòu)。2019年6月，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室科研人員與布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)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(dá)9000張圖像的速度收集數(shù)據(jù)，分析打印樹脂液滴的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)，以深度優(yōu)化連續(xù)纖維3D打印工藝。

連續(xù)纖維3D打印的無人機(jī)機(jī)翼剖面

此外，2019年3月美空軍研究實(shí)驗(yàn)室與若干大學(xué)合作開發(fā)了輕量化的增材制造三明治結(jié)構(gòu)，可以只在需要承受更大力的地方沉積更多材料，同時(shí)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(jī)提供具有嵌入式感知、致動(dòng)、計(jì)算或電力的多功能結(jié)構(gòu)并簡化裝配。同月美空軍研究實(shí)驗(yàn)室還和美國航空航天局格倫研究中心等合作，通過激光增材制造開發(fā)了迄今能耐最高溫度的樹脂基復(fù)材零件，可以承受超過300攝氏度的溫度，有望用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件或尾噴口附近高溫區(qū)域。

2019年9月，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室、波音公司和熱木公司團(tuán)隊(duì)面向低成本可消耗飛行器技術(shù)計(jì)劃的需求，使用大尺寸增材制造工藝生產(chǎn)了一個(gè)XQ-58A無人機(jī)機(jī)身熱壓罐工裝驗(yàn)證件，顯示了可以在數(shù)天而不是數(shù)月就開發(fā)出復(fù)雜工裝、大幅降低其采購周期和成本的潛力。2019年12月獲得國防制造技術(shù)成就獎(jiǎng)的“高性能低波動(dòng)增材制造零件的鑒定框架”項(xiàng)目由美空軍研究實(shí)驗(yàn)室與威奇托州立大學(xué)國家航空研究所、聯(lián)邦航空局等合作，生成了首個(gè)聚合物增材制造數(shù)據(jù)庫和鑒定框架，并且通過“美國造”機(jī)構(gòu)推廣到200多個(gè)組織，從而幫助他們?cè)O(shè)計(jì)和生產(chǎn)高質(zhì)量的航空零件，比如C-17運(yùn)輸機(jī)的航電設(shè)備冷卻管。

XQ-58A無人機(jī)機(jī)身驗(yàn)證工裝

四、結(jié)束語

我國從國家層面并沒有美空軍研究實(shí)驗(yàn)室這種性質(zhì)的軍方／政府科研機(jī)構(gòu)，面向未來我國增材制造產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，從本文所論述內(nèi)容的角度，提出幾點(diǎn)初步建議如下。一是由軍方和政府相關(guān)部門牽頭，在國家增材制造創(chuàng)新中心框架內(nèi)，集合全國相關(guān)企業(yè)、大學(xué)和科研院所的力量，面向產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國防應(yīng)用，制定出臺(tái)增材制造技術(shù)路線圖并定期更新，引導(dǎo)業(yè)界不斷突破創(chuàng)新并夯實(shí)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。二是相關(guān)政府部門牽頭，按照技術(shù)／制造成熟度階段明確增材制造創(chuàng)新界面，強(qiáng)化不同階段創(chuàng)新實(shí)體間的知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理，梳理并優(yōu)化我國增材制造創(chuàng)新鏈結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步鼓勵(lì)基礎(chǔ)研究和競爭前技術(shù)聯(lián)合研發(fā)。三是軍方用戶牽頭，面向未來作戰(zhàn)模式和武器裝備需求，設(shè)立有長期資金支持、可快速啟動(dòng)項(xiàng)目的專項(xiàng)攻關(guān)計(jì)劃或創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽，特別是針對(duì)航空裝備，加強(qiáng)復(fù)合材料增材制造領(lǐng)域的研究部署。

劉亞威先生已為《空天防務(wù)觀察》提供的第69篇專欄文章，如下表所示：