加大投资，克服阻碍增材制造应用的关键技术障碍——美国更新《先进制造国家战略》

10月9日，美国白宫发布了更新版《先进制造业国家战略》。尽管这份文件不仅限于关注增材制造技术，但它对增材制造行业的发展至关重要。

美国《先进制造业国家战略》于2012年推出，也就是在这一年，美国时任总统奥巴马在国情咨文中首次提到3D打印，该技术在接下来的十年间快速发展，并成为了一个全球产业。该战略5年更新一次，特朗普政府于2018年特意将增材制造技术列为关键出口管制技术。2022年是拜登政府对该战略的第二次更新，文件指出，美国必须继续投资和支持先进技术的研发，克服阻碍增材制造应用的关键技术障碍。

为了帮助美国保持全球领先地位，拜登政府致力于振兴制造业、建立强大的美国供应链、投资研发以及培训。这一四年期战略概述了美国引领先进制造业的愿景——发展经济、创造就业机会、增强环境可持续性、应对气候变化、确保国家安全和改善医疗保健。通过公共和私营部门的合作，其设定了未来四年将实现的三大目标和战略任务：

为加强战略的可实施性，每个目标和战略任务都有详细的实施建议。其中，在开发和实施先进制造技术和建立/提高制造供应链弹性两大目标中均包含增材制造技术。

• 实现清洁和可持续制造以促进脱碳

• 加快微电子和半导体制造业创新

• 实施先进制造支持生物经济

• 开发创新材料和加工技术

• 引领智能制造的未来。

增材制造技术的应用被纳入到第二、三、四子战略目标中。

文件提到，可以采用增材制造直接打印电子和独特的传感器结构，并能够用于制药和生物制造。对于第四个战略目标，增材制造则是重要的组成部分。为实现开发创新材料和加工技术的战略目标，文件推荐了四个着手方向，分别为高性能材料设计与加工、增材制造技术、减少或替代高需求技术中关键材料的使用、太空制造。

文件指出，先进材料对新产品的开发、经济和国家安全至关重要。先进材料可能包括用于高超声速的极高温结构材料、恶劣环境材料、高强度轻质金属合金、合成生物材料和其他材料。使用新材料通常需要创新的制造技术。随着设计限制大大放宽，增材制造和纳米制造等先进工艺为新材料创造了机会。新型高性能先进材料的加工技术可以通过用更快、更高效、更精确和更可靠的方法取代(或补充)主流方法来提高成本效益和竞争力。

关于新材料开发最新和典型的案例是NASA于今年4月宣布的借住热力学建模和3D打印加速新材料开发，并研发成功了一种在极端温度下具有增强机械性能的GRX-810合金（点击），耐温达1093℃。3D打印技术参考对该研究进行过详细介绍，可点击查看详情。

文件单独针对增材制造技术的发展进行了相关建议：

开发所有用户都可访问的增材制造流程优化框架；开发新的传感器，提高过程监测和控制能力。开发机器学习算法来分析大型、安全、互操作的数据流并实现反馈控制。开发能够创建新型3D打印材料的工具和能力，将增材制造技术与智能制造平台相结合。

尽管增材制造已经彻底改变了原型和小批量生产的方式，但还需要进一步改进。通过改进性能预测和分析、过程监测和控制以及定制的无损评估手段，释放使用高性能材料制造的零件的潜力，特别是针对具有突出和高应用价值的应用，将具有重要意义。文件指出，美国必须继续投资和支持先进技术的研发，克服阻碍增材制造采用的关键技术障碍。

当前，美国在先进3D打印研究领域处于全球领先地位：

• 大型连续纤维3D打印技术
• 增减材3D打印技术
• 粘结剂喷射3D打印技术
• 无支撑金属3D打印技术
• 下一代SLM——区域3D打印技术
• 3D打印仿真软件
• 先进设计软件

2022年2月，美国白宫发布了更新版《关键和新兴技术清单》（点击），3D打印技术参考对其进行了相关报道，并对当前美国保持领先的3D打印技术进行了相关分析。

在太空制造相关建议中：

文件指出，在微重力环境下开发新的增材制造工艺，以创造可替换部件和太空基础设施。实现机器人与空间增材制造工艺的集成，用于深空探索。进一步的太空任务包括在微重力下使用增材制造技术，3D打印电子传感器、更换和修理金属组件，以及使用月球材料3D打印基础设施的技术。其他关键领域包括开发用于深空探索的生物制造技术，这可以促进开发一个综合的、多功能的、多生物制造系统，以支持在类似火星的条件下扩展任务。

在引领智能制造的未来战略目标中：

文件建议使用先进的传感、控制技术和机器学习使智能制造成为可能。通过追求数字双胞胎，推进智能制造。制定数据兼容性标准，实现智能制造的无缝集成。数字化制造包括使用集成的、基于计算机的系统，结合仿真、3D可视化、分析和协作工具，以同时创建产品和制造过程定义。

美国制造业供应链是一个复杂的生态系统，连接原材料和零部件生产商、物流公司、集成商和商业支持服务。这些相互依赖的实体设计、生产和组装最终产品，需要改进的一个关键领域是供应链和生态系统的弹性。弹性是指从意外冲击中恢复的能力，需要可见性、敏捷性和冗余性，这些都可以通过更好的管理和先进的数字制造来提高。缺乏数字化基础设施和透明度使供应链变得脆弱，在面对冲击和压力时无法适应。供应链的弹性将通过相互依存的系统来减轻这些风险，这些系统能够抵御广泛的外部冲击，如地缘政治冲突、网络攻击、能源中断、金融危机、自然灾害和流行病。

制造企业之间强有力的合作可以带来诸如降低成本、增加创新和适应供应链中断等优势，因此美国希望加强供应链的相互联系。然而，美国当前大量的离岸和外包使产业之间合作薄弱且相互孤立。大型公司通常在看到需求之前通常不会投资某项技术，而下游公司则也不会在时机不成熟的情况下贸然投资新技术。因此，当小型制造商在技术上落后时，它们的大客户也会受到影响。例如，供应商在采用增材制造方面缓慢，导致航空航天和国防制造商在遭遇锻件和铸造供应链中断时无法迅速补缺，以至于使后者的订货周期长达一年。

由于美国长时间将中低端的制造业转移到其他发展中国家，故而出现了本土在急需产品时出现制造能力短缺，这也是美国3D打印能够快速发展和更深入应用的重要原因。

美国顶端用户对采用3D打印解决供应链中断进行了很多尝试，例如美国空军和GE公司合作的金属3D打印探路者计划（点击查看），是旨在使用金属增材制造技术解决空军特定零部件后勤保障需求而诞生；GE航空的研究项目（点击查看）也发现，金属增材制造可以与传统铸件的价格持平。

为增加美国供应链的弹性，战略文件指出：

应当促进公私伙伴关系，改进制造业供应链中的技术采用和环境减排，在供应链参与者之间建立信任和透明度。在联邦政府的支持下，几家标志性的美国制造商已经共同发起了AM Forward计划，旨在通过帮助美国中小型制造商采用增材制造来提高他们的竞争力。

AM Forward计划要求美国的一些最大的制造商承诺从规模较小的企业采购更多3D打印部件。大型企业还承诺帮助培训相关中小企业的员工，并协助制定通用的研发和认证标准。美国力促将3D打印技术扩展至高科技供应链中的更多企业有助于降低成本、提高美国中小企业竞争力，并减少大型制造商和防务承包商对海外公司的依赖。

总之，美国当前的制造业供应链不足，成为该国3D打印技术发展的温床。

END

美国联邦政府的项目在促进技术发展和向制造企业特别是中小型制造企业转向方面发起了一系列支持项目。这些项目包括美国制造研究所、NIST MEP、能源部的制造示范设施和嵌入式创业项目以及国家科学基金会的未来制造项目。此外，商务部、国防部、能源部、卫生与公众服务部、NASA、NSF和EPA的SBIR/STTR项目为制造业研发提供了创业援助。

文件指出，各机构协调努力，避免重复，同时确保其投资满足任务的需要，并酌情相互补充。