【科技前沿】美國國防部增材制造戰(zhàn)略

01

簡介

科技持續(xù)革新系統(tǒng)的生產(chǎn)方式以及產(chǎn)品信息與數(shù)據(jù)的管理模式。數(shù)字制造革命已為國防部（DoD）及工業(yè)基礎(chǔ)帶來深遠影響。增材制造（AM），常被稱為“3D打印”，是一種基于三維數(shù)字模型、通過逐層連續(xù)添加材料以構(gòu)造實體的技術(shù)。AM能夠同步制備原材料與零部件，顯著提升了生產(chǎn)效率和靈活性，但仍需對其過程實施精密控制。AM可應(yīng)用于制造：無法以其他方式成型的部件；特殊復(fù)合材料；過期或停產(chǎn)零件；快速原型；工具及專用工裝。AM是一種強有力的技術(shù)，能夠推動國防系統(tǒng)現(xiàn)代化，并增強作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)備能力。

AM是一種依賴三維模型與模擬以生成定制化解決方案的數(shù)字制造形式。為在數(shù)字制造領(lǐng)域保持領(lǐng)先，美國將制定數(shù)字制造產(chǎn)品與工藝的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并建立管理及保護它們所需的數(shù)字環(huán)境，正如《美國國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略》所闡述。AM的快速原型能力與獨特制造特性，促使工程過程從“設(shè)計-制造-測試”轉(zhuǎn)向“模型-分析-構(gòu)建”的方法。

一個標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織，原美國材料測試協(xié)會（ASTM），闡述了七種AM將原材料與能量結(jié)合的方式，如圖1所示。這類AM技術(shù)及相關(guān)的非熱工藝（如冷噴涂），可適用于維修與生產(chǎn)國防所需的各種材料。AM已用于從地面到空中系統(tǒng)的聚合物、金屬、陶瓷、復(fù)合材料及電子元件（如傳感器、天線）。它亦逐步擴展至新興領(lǐng)域，例如生物材料（如經(jīng)美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)的組織與器官）、能量材料、電子器件、混凝土及其他建筑材料。

02

和國防部使命保持一致

AM是一種通用技術(shù)，在一系列國防應(yīng)用中提供技術(shù)優(yōu)勢，以建立一支更致命的戰(zhàn)備部隊。AM既可用于傳統(tǒng)的材料如金屬、陶瓷和聚合物；也可用于新興領(lǐng)域如電子、能量學(xué)、化學(xué)和生物應(yīng)用等。它是一種快速、按需、可定制的制造工具，以這三種主要方式推動了《2018年國防戰(zhàn)略摘要》（NDS）中所述的后勤和運營改革。

（一）國防系統(tǒng)現(xiàn)代化

AM是“建立一支更致命的戰(zhàn)備部隊”的強大工具，這是2018年NDS的主要目標(biāo)。AM通過整合材料、設(shè)計和加工流程，從根本上改變零部件的設(shè)計方式，從而使無法用傳統(tǒng)制造業(yè)制造的幾何形狀零部件成為可能。這些創(chuàng)新的設(shè)計可以實現(xiàn)更大的操作可能，系統(tǒng)的性能也可以通過將印刷原材料集成到傳感器和電子組件的其他組件上來提高。

AM的其他設(shè)計增強功能包括將多個部件合成為一個組件的能力。這種功能消除了連接，減少了零件數(shù)量、制造成本和重量，同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)合零件、混合材料、創(chuàng)建輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)建內(nèi)部特性的能力，這些特質(zhì)都成為創(chuàng)建性能更好系統(tǒng)的能力。AM支持快速設(shè)計和原型周期，這可以大大縮短生產(chǎn)時間，提升作戰(zhàn)人員的響應(yīng)速度。

（二）提升裝備戰(zhàn)備能力

在全企業(yè)范圍內(nèi)使用AM將增強任務(wù)準(zhǔn)備能力。正如NDS摘要中所述“快速、迭代的能力開發(fā)方法將減少成本、技術(shù)淘汰和采辦風(fēng)險”，AM可以縮短使用時間，確保作戰(zhàn)人員在需要時使用關(guān)鍵能力。它能夠快速生產(chǎn)原型，從而減少開發(fā)時間和加快迭代。AM系統(tǒng)在功能上就像一個盒子里的工廠，一條可控制且輕松開關(guān)的數(shù)字生產(chǎn)線。AM可以通過提供低成本的替代制造商來擴大傳統(tǒng)供應(yīng)商基礎(chǔ)。AM機器的靈活生產(chǎn)有助于降低老舊過時部件的風(fēng)險，并作為緩解制造來源和材料短缺（DMSMS）積極計劃的一部分。

此外，AM生產(chǎn)可以在多個機器和地點上進行分布和擴展。AM還允許制造零部件，使生產(chǎn)更接近指定的時間和點位。這可以減少設(shè)備停機時間，提高維護和維修效率，并降低成本，從而達到“彈性而靈活的后勤”的要求。在部件無法獲且數(shù)據(jù)不可用的情況下，逆向工程和AM部件生產(chǎn)是維護遺留系統(tǒng)和沖擊準(zhǔn)備的一種方法。

（三）增強作戰(zhàn)人員能力和創(chuàng)新

AM允許戰(zhàn)術(shù)單位在戰(zhàn)區(qū)開發(fā)創(chuàng)新的解決方案。AM幫助我們將平衡轉(zhuǎn)向我們最大的力量--戰(zhàn)士。“作戰(zhàn)人員的創(chuàng)造力和天賦是我們最持久的力量，我們認(rèn)為這不是理所當(dāng)然的”。已經(jīng)有很多例子：美國海軍陸戰(zhàn)隊在現(xiàn)場創(chuàng)新打印傳感器外殼，以確保基地周邊的缺口；陸軍野戰(zhàn)維修部隊打印低成本的護蓋來保護坦克上一百萬美元的鏡頭；美國空軍使用AM以5%的原成本更換C-5的過時部件。盡管AM為作戰(zhàn)人員提供了更高的能力，但它必須與安全指南、培訓(xùn)和系統(tǒng)相平衡，才能被更好的操作使用。

互聯(lián)數(shù)字方法是這一策略的基本要素。數(shù)字線程為數(shù)字過程集成提供了安全有效使用AM所需的完整、安全和權(quán)威的數(shù)據(jù)。它使作戰(zhàn)人員能夠安全地訪問有權(quán)限的數(shù)據(jù)；分享并反饋創(chuàng)新的解決方案；以及向工程中心和生活周期管理人員提交想法的能力。

圖2 3D打印制造混凝土橋梁

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目標(biāo)

國防部的AM戰(zhàn)略目標(biāo)是為AM技術(shù)開發(fā)和過渡提供一套共享的指導(dǎo)原則和框架，以支持國防部、軍事服務(wù)和專業(yè)機構(gòu)的現(xiàn)代化和戰(zhàn)備化。它支持國防部長辦公室（OSD）、軍事部門和國防部相關(guān)機構(gòu)在當(dāng)前或計劃的活動基礎(chǔ)上，減少冗余，共同協(xié)調(diào)資金，進一步提高AM實施/戰(zhàn)役工作的有效性。

這種策略確定了克服剩余障礙的途徑，將AM帶入普遍公認(rèn)的技術(shù)領(lǐng)域，如機械加工和鑄造業(yè)，以發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢。為將AM納入國防部的主流，五個主要需求必須滿足： (1)AM部件認(rèn)證和快速和標(biāo)準(zhǔn)化的材料和工藝鑒定，(2)承包和采辦AM數(shù)字技術(shù)數(shù)據(jù)的新商業(yè)模式，(3)在前線地區(qū)生產(chǎn)AM部件的后勤保障模式，(4)AM技術(shù)數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，(5)構(gòu)建可安全互操作的連接和數(shù)據(jù)管理的AM數(shù)字線程。

04

前景

在未來，AM將締造一個更靈活、適應(yīng)性更強和協(xié)調(diào)一致的防御供應(yīng)基地來戰(zhàn)勝敵對威脅。AM將成為美國國防部和國防工業(yè)基地被廣泛接受的制造技術(shù)。它將被廣泛應(yīng)用于創(chuàng)新設(shè)計，提高武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)人員的殺傷力和可靠性。新技術(shù)將更快地從研發(fā)過渡到支持現(xiàn)代化和持續(xù)化的戰(zhàn)場應(yīng)用部署能力。

數(shù)字線程是一個由互聯(lián)系統(tǒng)、軟件和數(shù)據(jù)組成的生態(tài)系統(tǒng)，通過更有效地將信息連接到實物的過程，將會加速AM的使用。諸如建模和仿真、人工智能和機器自我學(xué)習(xí)等先進技術(shù)的使用將更有效地提高新能力的開發(fā)和生產(chǎn)。國防部將采用新的商業(yè)模式來訪問和授權(quán)數(shù)據(jù)權(quán)利，以改進使用AM的成本和維護。

標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和數(shù)據(jù)集將用于快速認(rèn)證AM機器、材料和AM部件。工作人員將接受與其崗位相適當(dāng)?shù)墓ぷ髋嘤?xùn)。服務(wù)人員將熟練使用AM來解決現(xiàn)場出現(xiàn)的諸多問題。培訓(xùn)過的工程師可以為AM進行設(shè)計。只有經(jīng)過認(rèn)證的生產(chǎn)操作員才能允許使用AM機器。采購和行業(yè)界將接受如何正確使用AM進行系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)和維護的專業(yè)培訓(xùn)。

05

目標(biāo)概述

為了實現(xiàn)上述前景，國防部將要：

1. 將AM納入國防部和國防工業(yè)基地

國防部將整合并促進對增材制造的使用，使武器系統(tǒng)現(xiàn)代化，物資供應(yīng)戰(zhàn)備化。通過政策、指導(dǎo)方針和服務(wù)或相當(dāng)級別的機構(gòu)來實施計劃，提高作戰(zhàn)人員的能力。

1. 協(xié)調(diào)國防部和外部合作伙伴的AM活動

國防部將繼續(xù)合作，將來自軍種、國防工業(yè)和學(xué)術(shù)界的利益相關(guān)者聚集在一起，以減少采用AM的障礙，并通過舉辦各種研討會將AM整合到供應(yīng)鏈中。

1. 推進和促進AM的靈活使用

國防部將通過技術(shù)和業(yè)務(wù)流程修改來采用AM的政策，包括納入AM機器、材料和AM部件的靈活資格認(rèn)證和認(rèn)證方法。

1. 提高AM的熟練程度：學(xué)習(xí)、實踐和分享知識

軍種將對整合和使用AM所需的技術(shù)人員和業(yè)務(wù)人員進行教育和培訓(xùn)。

1. 確保AM工作流程的安全

國防部將面臨挑戰(zhàn)，推薦解決方案，并實施數(shù)字線程功能，以集成AM流程、安全和控制系統(tǒng)，并提供對權(quán)威AM數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的訪問。

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戰(zhàn)略目標(biāo)和重點領(lǐng)域

（一）將AM納入國防部和國防工業(yè)基地

這一目標(biāo)的重點是讓國防部意識到，從工程到采購再到維護保養(yǎng)，AM對國防部行動和工業(yè)供應(yīng)鏈都是大有益處的，必將產(chǎn)生深遠影響。為此，國防部要制定內(nèi)部政策，并指導(dǎo)國防工業(yè)基地適當(dāng)擴大對AM的使用。國防部將促進與原廠制造商共享AM部件壽命和性能數(shù)據(jù)，以支持生命周期分析，以進一步提高可靠性和可持續(xù)性。

1. 制定政策和指導(dǎo)方針，盡量使AM能在最廣泛的范圍內(nèi)采用

需要完善政策和指導(dǎo)，以增加供應(yīng)鏈對AM的采用。隨著這種制造技術(shù)的成熟，政策和指導(dǎo)必須要靈活，不僅允許短期快速采用以滿足戰(zhàn)備需求，而且還允許長期設(shè)計來增強改進系統(tǒng)。確定跨武器系統(tǒng)的關(guān)鍵準(zhǔn)備驅(qū)動因素將使國防部能夠評估通過AM解決這些需求的近期機會。

政策和指導(dǎo)需要關(guān)注AM的技術(shù)方面和商業(yè)實踐和策略，以解決知識產(chǎn)權(quán)和網(wǎng)絡(luò)保護等問題，這些問題對數(shù)字制造應(yīng)用至關(guān)重要。政策將涉及到采辦過程，以確保考慮必要的數(shù)據(jù)權(quán)利，以支持維護、成本分析、平衡其它行業(yè)和政府利益的考慮。國防部的頂層政策將為AM的發(fā)展提供總體指導(dǎo)。

2. 修訂軍種或者機構(gòu)級別的AM實施計劃

國防部軍事部門和相關(guān)機構(gòu)將正式制定和更新實施計劃，將AM在各自的系統(tǒng)中運作，并改善和擴大供應(yīng)鏈。各軍種和國防部相關(guān)機構(gòu)已經(jīng)開始制定初始AM框架和實施運作計劃，以解決整個組織中AM的開發(fā)和執(zhí)行問題。這些計劃的核心是下述內(nèi)容，貫穿于國防部的基本原則。

通過制定資格認(rèn)證和認(rèn)證指南來提高熟練程度，以確保軍種具備最佳的AM能力，以及如何在政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共享信息。

進行廣泛的思想交流，促進創(chuàng)新發(fā)展，生成快速反應(yīng)的能力。

為我們的末端用戶和需求點提供指導(dǎo)。

培養(yǎng)一個世界級專業(yè)隊伍：包括從業(yè)人員、設(shè)計師、技術(shù)人員和采購專人員。

制定關(guān)于業(yè)務(wù)實踐、后勤、成本建模以及供應(yīng)鏈集成政策和指導(dǎo)。

3. 制定成功的度量標(biāo)準(zhǔn)

國防部將使用具體指標(biāo)來評估由數(shù)字工具（例如，聯(lián)合增材制造模型交換、戰(zhàn)術(shù)和作戰(zhàn)準(zhǔn)備增材部件庫）支持的AM的實施情況。隨著AM技術(shù)的不斷成熟，國防部將完善當(dāng)前的指標(biāo)庫，在戰(zhàn)備狀況和成本消耗方面衡量AM的價值。這包括如何能夠持續(xù)和精確地生產(chǎn)AM產(chǎn)品，無論他們是小批量或是大批量。性能指標(biāo)（生產(chǎn)的零件數(shù)量、類型等）和有效性指標(biāo)（即一致的質(zhì)量、增加的系統(tǒng)準(zhǔn)備情況和降低的成本）將以一致的方式得到國防部的同意和報告。重要的是要確保使用AM來維護系統(tǒng)級別的性能和可靠性

4. 為AM在合同和采購方面開發(fā)和分享新的商業(yè)模式

雖然AM具有以往無法制造的復(fù)雜部件的靈活性和速度，但采用AM有許多重要的考慮因素，包括法律責(zé)任和承包方式。開發(fā)人員需要業(yè)務(wù)模型和合同指南，在適當(dāng)?shù)那闆r下擴大和鼓勵在國防部武器系統(tǒng)中使用AM部件。

為了更加高效，指南或指示需要解決采購周期中從最初設(shè)計到維護保養(yǎng)的所有階段。如果有來自供應(yīng)商等方的設(shè)計變更，則需要對系統(tǒng)中的AM部件進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整控制。關(guān)于知識產(chǎn)權(quán)和既有限又快速生產(chǎn)的逆向工程成品部件的機會，存在重大挑戰(zhàn)和擔(dān)憂。國防部將考慮將訪問技術(shù)數(shù)據(jù)作為合同的一部分，包括可選擇的業(yè)務(wù)模式，例如獲得數(shù)據(jù)訪問許可而不是直接獲取所有數(shù)據(jù)。需要考慮的方面包括傳統(tǒng)政府采購、零部件報廢和材料短缺、設(shè)計改進、后勤保障和按需供應(yīng)的情況。

5. 采用健全的風(fēng)險管理措施

各軍種目前正在采用低風(fēng)險的方法來解決戰(zhàn)備問題，并通過靈活的基礎(chǔ)設(shè)施來擴大技術(shù)的引入和擴展。風(fēng)險管理實踐需要考慮可定制的資格認(rèn)證和認(rèn)證失敗的后果，以提高AM應(yīng)用的速度，解決軍種的特殊性、網(wǎng)絡(luò)安全和操作使用。低風(fēng)險方法應(yīng)廣泛考慮非關(guān)鍵部件應(yīng)用，如支持設(shè)備、車輛、工具/夾具和非關(guān)鍵武器系統(tǒng)零部件。隨著技術(shù)的成熟，在金屬和結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，AM的更多應(yīng)用將通過增強材料、工藝和特定應(yīng)用中使用AM組件的風(fēng)險評估來進行擴展。國防部將繼續(xù)采取循序漸進的方法，以確保用一致的方法使用AM時適當(dāng)?shù)乜紤]失敗的風(fēng)險和后果。國防部還將使用零件管理最佳實踐（配置控制和零件識別），來防止假冒的部件，并確保質(zhì)量。

（二）協(xié)調(diào)國防部和外部合作伙伴之間的AM活動

這一目標(biāo)的重點是與其他政府伙伴和行業(yè)合作，正式的領(lǐng)導(dǎo)層、資源、指導(dǎo)和流程，來改善國防部軍事系統(tǒng)的維護。通過有效的領(lǐng)導(dǎo)、政策和資源來實現(xiàn)AM技術(shù)的高效部署，建立更致命、反應(yīng)更迅速靈敏的國防部部隊。此外，AM還涉及到許多正在開發(fā)的數(shù)字工程模式，當(dāng)這些技術(shù)成熟時，務(wù)必仔細(xì)關(guān)注以利用這些優(yōu)勢。

1. 支援和跨部門資源協(xié)作

聯(lián)合增材制造委員會（JAMWG）的成立是為了提供一個論壇：分享最佳實踐；確定共同的挑戰(zhàn)和主要的資源缺口；在聯(lián)合項目上進行合作；對政策或指導(dǎo)提出修改建議。例如海軍AM技術(shù)交流（NAMTI）、與JAMWG協(xié)調(diào)的AM研討會、空軍技術(shù)交換會議（AFTIM）和陸軍實踐社區(qū)等論壇將政府領(lǐng)導(dǎo)人和行業(yè)參與者聚集在一起，共同應(yīng)對AM面臨的挑戰(zhàn)。這些也是改進目標(biāo)和贏取共同利益的機會，并促進改善交流和促進AM技術(shù)更好的發(fā)展。基于目前的工作，JAMWG將制定一個溝通和協(xié)作計劃，以確保整個部門的利益相關(guān)者專注于高價值的活動，共同執(zhí)行這一戰(zhàn)略，并與外部合作伙伴進行合作。

2. 修改聯(lián)合路線圖并整合資源

國防部將繼續(xù)開發(fā)和完善當(dāng)前的AM路線圖，為軍種實施計劃和資源評估提供最佳支持。2016年，發(fā)布了第一份國防部AM路線圖，包括四個重點領(lǐng)域：設(shè)計、材料、工藝和價值鏈。國防部正在對路線圖進行更新，以納入突飛猛進的科技和來自軍方項目的信息。國防部將對照路線圖中的差距來調(diào)整研發(fā)、采購、后勤和業(yè)務(wù)流程投資，以滿足國防部的AM目標(biāo)和提高實施效率。

3. 與聯(lián)邦政府和外部利益相關(guān)者建立合作

國防部將繼續(xù)加強與聯(lián)邦政府和相關(guān)機構(gòu)在AM發(fā)展上的合作關(guān)系。美國國家航空航天局（NASA）、美國能源部（DOE）、美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）、美國商務(wù)部（DOC）和其他部門都有積極穩(wěn)健的AM計劃和活動。國防部將參與了解他們這些計劃，盡可能確定聯(lián)合項目和計劃。

圖3：美國國防部制造創(chuàng)新研究所，國家研發(fā)資產(chǎn)

為了持續(xù)和更廣泛地使用AM，國防部必須與行業(yè)合作，充分利用一流的知識、工具和私營部門的經(jīng)驗。在制定政策和指南時，了解行業(yè)需求將提供更為有效的信息。國防部已經(jīng)建立了8個公私合作伙伴關(guān)系，如圖3所示，國防部制造創(chuàng)新研究所（MIIs）專注于關(guān)鍵的先進制造技術(shù)。這些MIIs是一個更大的國家網(wǎng)絡(luò)的一部分，作為國家資源，將工業(yè)、學(xué)術(shù)界和政府合作伙伴聚集在一起，提高最先進的水平，保持美國制造業(yè)競爭力。國防部將從戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)上通過這些MIIs進行投資，以推進AM的相關(guān)技術(shù)（如數(shù)字工程）的發(fā)展。

隨著國防部各軍種繼續(xù)在AM方面相互利用優(yōu)勢，國防部也將受益于和我們的盟國和北大西洋公約組織（NATO）伙伴的合作。在未來，聯(lián)盟對國防部在未來戰(zhàn)爭中的成功至關(guān)重要。在最近的兩次演習(xí)中，集成AM技術(shù)已經(jīng)開始進行測試和驗證。作為2018年在波蘭舉行的聯(lián)合勇士互操作性演習(xí)（CWIX）的一部分，美國海軍陸戰(zhàn)隊無人自動駕駛汽車（UAV）由挪威國進行印制，并在CWIX飛行。這次演習(xí)利用了在盟國之間安全傳輸數(shù)據(jù)的能力。在2018年挪威三叉戟會議期間，美國海軍陸戰(zhàn)隊與挪威同行進行了訓(xùn)練，并與挪威國防研究機構(gòu)進行了人員交流。這種活動既分享經(jīng)驗教訓(xùn)，討論工程技術(shù)數(shù)據(jù)，同時也展示了國家之間的安全文件傳輸。這種性質(zhì)的活動必須繼續(xù)下去，因為它對我們合作伙伴充分利用AM技術(shù)的能力非常重要。

（三）推動和促進AM的靈活使用

這一目標(biāo)的重點是，通過增加對AM的科學(xué)理解、創(chuàng)新設(shè)計和應(yīng)用，使國防部能夠更能響應(yīng)作戰(zhàn)人員的需求，并保持技術(shù)優(yōu)勢。此外，這一目標(biāo)旨在擴大在軍種和工業(yè)基地使用AM的規(guī)模。AM將提供一定程度的響應(yīng)能力，使美國的軍事力量與一個創(chuàng)新、大膽和靈活的新興工業(yè)基地相結(jié)合。通過快速原型設(shè)計，AM加速了能力的開發(fā)，以滿足緊急需求，以作戰(zhàn)的速度推動創(chuàng)新，并提供先進的作戰(zhàn)能力。使用AM作為工具、夾具、固定裝置和作業(yè)輔助設(shè)備是支持傳統(tǒng)制造和維護的近期案例。國防部已經(jīng)開始認(rèn)識到AM如何支持戰(zhàn)備工作。例如，美國空軍正在使用AM來支持C-5星系計劃，如圖4所示。

1. 開發(fā)和分享新的資格認(rèn)證和鑒定方法

AM目前非常適合小批量、已停產(chǎn)或長時間交貨的部件。然而，需要對包括結(jié)構(gòu)部件在內(nèi)的零部件及其相關(guān)工藝進行鑒定和認(rèn)證，這對更廣泛的使用和擴大最終用途零部件生產(chǎn)是一個機遇和挑戰(zhàn)。AM工藝操作對最終零件質(zhì)量、原材料和零件的幾何形狀都有影響。這些因素可能會增加資格認(rèn)證和鑒定的復(fù)雜性，并可能會增加成本。基于風(fēng)險的資格認(rèn)證和鑒定方法將適當(dāng)?shù)毓芾砭哂酗L(fēng)險最高的部件以及工藝的嚴(yán)格性和成本（例如關(guān)鍵的安全項目）。

研究人員正在研究影響增材制造零件性能的因素，以開發(fā)加速鑒定的工具。國防部將利用服務(wù)和行業(yè)已經(jīng)開發(fā)的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗教訓(xùn)和最佳實踐來進行增材制造組件的鑒定和認(rèn)證，以制定通用定義和標(biāo)準(zhǔn)，以快速實現(xiàn)未來的改進。

圖4 增材制造支持C-5星系計劃

該部門正在制定標(biāo)準(zhǔn)，以定義允許擴展增材制造能力并納入產(chǎn)品（例如零件系列）的因素，例如 C-17星系上的航空電子設(shè)備冷卻管道，如圖5所示。準(zhǔn)備就緒將推動規(guī)模擴大以及增材制造滿足作戰(zhàn)需求的機會。

圖5：C-17星系批準(zhǔn)進行增材制造生產(chǎn)的航空電子設(shè)備冷卻管道

2. 先進的技術(shù)為設(shè)計提供信息

AM的靈活性要求開發(fā)新的技術(shù)方法來加速設(shè)計、資格認(rèn)證和鑒定過程。各軍種部門目前正在評估建模和仿真（M&S）工具，以提高人們對結(jié)構(gòu)金屬部件可靠性和成本效益的信心。圖6總結(jié)了目前通過海軍研究辦公室執(zhí)行的質(zhì)量制造計劃，他們將在整個國防部范圍內(nèi)分享該研究的結(jié)果。這是一個通過將建模和仿真與過程控制和反饋機制結(jié)合而得到增強的改進鑒定方法的例子。國防部將繼續(xù)在這些重要領(lǐng)域進行研究和開發(fā)，該技術(shù)目前仍處于實施的早期階段。

3. 支持AM在現(xiàn)場的部署和應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入，構(gòu)建了制造業(yè)“數(shù)字雙胞胎”，來改善制造操作，并作為基于模型的企業(yè)的一部分維護適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)庫，將支持未來的裝備戰(zhàn)備化水平。軍種必須為其野戰(zhàn)/海上部隊和指揮官提供指導(dǎo)和簡化高效的能力，來分類零件需求，為需要加強審查的零件提供工程批準(zhǔn)和反饋，并將前沿部署部隊在進行3D打印時承擔(dān)的風(fēng)險降至最低。擴展數(shù)字線程以獲得完整、安全和權(quán)威的數(shù)據(jù)，將支持在各軍種、國防部和行業(yè)內(nèi)安全有效地使用AM。

由于各軍種采用AM機器和相應(yīng)的后期處理設(shè)備，必備要注意設(shè)施安全。而基于技術(shù)的安全風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)也將要進一步發(fā)展。AM用于臨時的、壽命有限的部件時需要通過指導(dǎo)和培訓(xùn)后再進行適當(dāng)?shù)墓芾怼M的遠端使用將考慮到材料、機器和人員的后勤保障。這些標(biāo)準(zhǔn)將包括現(xiàn)場部署情況及海上的點位。圖7顯示了遠端AM實際應(yīng)用能力（順時針方向）：美國海軍陸戰(zhàn)隊的X-Fab，海軍的斯坦尼斯AM實驗室，以及陸軍通過戰(zhàn)場AM快速制造（R-FAB）的例子。

圖7：國防部的遠征和海上增材制造能力的例子

（四）提高AM的熟練程度：學(xué)習(xí)、實踐和分享知識

這一目標(biāo)旨在發(fā)展和保持在整個國防工業(yè)基地應(yīng)用AM的能力，這是實現(xiàn)這項新技術(shù)所提供的價值主張的核心。由于AM的廣泛應(yīng)用及其在最終用途零件制造領(lǐng)域的相對不成熟，因此指定所有材料和工藝要求的技術(shù)和實際印制零件所需的技術(shù)之間幾乎沒有差別。

隨著先進技術(shù)成為該行業(yè)的基礎(chǔ)，制造業(yè)對更多熟練勞動力的需求是一個廣泛的全國趨勢。美國國防部正在制定一項總體戰(zhàn)略，以應(yīng)對美國制造業(yè)勞動力面臨的挑戰(zhàn)，以支持美國的國防。國防部MIIs，在教育和培訓(xùn)包括國防部人員在內(nèi)的下一代制造業(yè)勞動力方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

部門內(nèi)部的勞動力發(fā)展存在一些具體的挑戰(zhàn)，需要額外考慮。傳統(tǒng)的對停產(chǎn)部件的制造或購買決策將受到AM的使用和具有足夠的內(nèi)部知識和能力的影響。國防部的靈活性和談判地位要通過保持高度的AM信譽和AM技術(shù)熟練程度來加強。

發(fā)展和保持AM的應(yīng)用能力將需要在未來10年內(nèi)加強，以解決技能方面的差距，以及缺乏經(jīng)認(rèn)可的培訓(xùn)項目和關(guān)于制造標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)共識。發(fā)展和保持對AM的熟練程度的三個關(guān)鍵原則是：(1)學(xué)習(xí)過程和最佳實踐(2)實踐制作零件的規(guī)范(3)分享知識。

1. 學(xué)習(xí)流程和最佳實踐

國防部的工作人員需要額外的技術(shù)和非技術(shù)教育，以確保全面的AM專業(yè)知識。需要開發(fā)最佳實踐來了解：小批量和長交付周期挑戰(zhàn)的業(yè)務(wù)影響、成本模型和成本效益分析開發(fā)、以及知識產(chǎn)權(quán)政策和實踐的影響。雖然可以通過AM解決許多時間效應(yīng)和可用性挑戰(zhàn)，但當(dāng)使零件幾何形狀適應(yīng)工藝時，該技術(shù)的許多真正價值才會得以體現(xiàn)。國防部將確定、定義并采用關(guān)于增材制造設(shè)計（DFAM）的最佳實踐。

國防部必須就AM是什么以及如何最好地將其用于基線AM教育發(fā)展的企業(yè)級知識達成能力共識。培養(yǎng)主題專家（SME）的計劃必須得到維護和提高AM技術(shù)知識投資的支持。人員在操作和使用適合其崗位的AM機器和流程之前，需要經(jīng)正式培訓(xùn)、在職培訓(xùn)（OJT）和資格認(rèn)證相結(jié)合。必須保留被收購的中小企業(yè)，并提供持續(xù)的培訓(xùn)和技術(shù)發(fā)展機會。軍種機構(gòu)和國防機構(gòu)將利用、發(fā)展和采用與當(dāng)前在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界崗位相匹配的技術(shù)認(rèn)證和鑒定。國防部還將把AM相關(guān)培訓(xùn)納入采辦隊伍，作為現(xiàn)有培訓(xùn)和發(fā)展途徑的一部分。

2. 實踐零件制作的規(guī)程

為了建立和保持一個有機的能力基線，員工必須不斷展示、使用和加強AM的能力和熟練程度。AM的學(xué)習(xí)過程建立在實踐藝術(shù)的基礎(chǔ)上。具有實踐培訓(xùn)的學(xué)徒制項目正在國防部各地部署。國防部將與行業(yè)合作，制定AM工程師和技術(shù)人員培訓(xùn)和認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)和最佳實踐。不斷提高技能將是保持充足勞動力的重要方面。克服這些挑戰(zhàn)并充分接受AM的一個關(guān)鍵因素是確保任何關(guān)鍵知識集的人才深度。

圖8：士兵們使用陸軍的R-Fab單元進行AM操作

3. 分享知識

更快地達到熟練程度并保持核心能力的一個關(guān)鍵方法是確保重要信息與國防部內(nèi)外各級決策者聯(lián)系起來。國防部各部門將在內(nèi)部適時與外部合作伙伴分享最佳實踐和經(jīng)驗教訓(xùn)。附加過程在很大程度上依賴于數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，該基礎(chǔ)設(shè)施提供了對大量過程和性能數(shù)據(jù)的訪問。

每個服務(wù)中的數(shù)字線程對于提供經(jīng)批準(zhǔn)的AM數(shù)據(jù)的配置控制和管理至關(guān)重要。跨國防部的數(shù)據(jù)連接可以通過跨國防部的工具來實現(xiàn)，例如聯(lián)合增材制造模型交換（JAMMEX），它是作戰(zhàn)用戶AM數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的門戶。

共享和維護AM信息的關(guān)鍵領(lǐng)域是：

（1）標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)方針。國防部將繼續(xù)支持發(fā)展和共享：工業(yè)和軍事標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)工作指南以及其他實際指南，并鼓勵根據(jù)需要采用和調(diào)整。

（2）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)管理。共享數(shù)據(jù)和擁有共同的標(biāo)準(zhǔn)將減少開發(fā)和認(rèn)證新材料和工藝所需的時間。數(shù)據(jù)保留指導(dǎo)是將得到支持的整體數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)管理的另一個方面。

（3）與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的聯(lián)系。

國防部將與內(nèi)部和外部利益相關(guān)者進行技術(shù)交流，分享經(jīng)驗教訓(xùn)和信息，以增加知識。資格和認(rèn)證數(shù)據(jù)是一個關(guān)鍵的缺口也是合作機會。

（五）確保AM工作流程的安全

這一目標(biāo)是確保整個AM工作流程的網(wǎng)絡(luò)安全，確保數(shù)字線程的安全，包括數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和傳輸，以及AM生產(chǎn)和測試過程的保護。

為了實現(xiàn)AM的價值，必須要擴大國防工業(yè)基礎(chǔ)，將非傳統(tǒng)供應(yīng)商和運營用戶包括在內(nèi)。隨著AM制造基地的擴大，網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險增加，包括可能導(dǎo)致低質(zhì)量零件的數(shù)據(jù)盜竊、數(shù)據(jù)更改和機器篡改。

由于這些已知的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險，目前大多數(shù)AM機器都沒有連接到網(wǎng)絡(luò)。國防部已經(jīng)實施了安全的數(shù)據(jù)訪問控制系統(tǒng)，允許批準(zhǔn)的用戶下載數(shù)據(jù)，然后手動上傳到機器上。雖然這一過程管理著網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險，但費時費力。

為了在整個國防部實現(xiàn)AM的價值并維護安全，必須增強工具、指南和標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)：（1）讓合格的機器和人員可控地訪問和使用最新的權(quán)威數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（2）通過批準(zhǔn)的數(shù)字框架和協(xié)議將AM機器直接安全地連接到網(wǎng)絡(luò)（3）從原材料管理到最終零件驗證的質(zhì)量保證過程。

1. 保護、控制和管理數(shù)據(jù)傳輸和訪問

國防部利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全政策和協(xié)議，制定將AM數(shù)據(jù)安全傳輸給授權(quán)機器和人員的政策和指導(dǎo)。國防部將建立驗證AM零件數(shù)據(jù)的流程，并使用數(shù)字雙胞胎進行驗證和防止篡改，以確保數(shù)字供應(yīng)鏈的安全。

國防部將對AM技術(shù)數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)管理最佳實踐和配置控制。連接AM機器的數(shù)字線程指南將解決打印完成后清除數(shù)據(jù)的需要，以防止構(gòu)建之間的數(shù)據(jù)溢出。還將為斷開連接的AM機器提供指南，以考慮遠端環(huán)境。AM過程生成大量數(shù)據(jù)，并在設(shè)計和構(gòu)建過程中使用多種文件類型。還將制定管理和保留這種中間類型數(shù)據(jù)的最佳實踐，以確保專有和敏感數(shù)據(jù)得到適當(dāng)處理。

2. AM機器的直接安全網(wǎng)絡(luò)連接

國防部將利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全框架將AM機器安全連接到網(wǎng)絡(luò)。國防部還將制定簽訂合同的最佳實踐，并與制造商合作，考慮AM相關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)物理安全要求。國防部將與業(yè)界合作，確定并實施信息技術(shù)（計算機、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理軟件、數(shù)字孿生模型）和操作技術(shù)風(fēng)險管理方法的最佳實踐，增強信息物理安全。

機器連接后，維護機器配置并確保機器符合預(yù)期至關(guān)重要。國防部將制定數(shù)字線索能力指南，驗證增材制造機器的資格和網(wǎng)聯(lián)機器的配置。

3. 使用質(zhì)量保證流程來驗證零件

AM組件對設(shè)備配置、材料和工藝參數(shù)的變化非常敏感。網(wǎng)絡(luò)安全的一部分是保護聯(lián)網(wǎng)機器中的工藝參數(shù)。材料和機器管理是最終零件質(zhì)量保證的基本要素。質(zhì)量保證（QA）流程由國防部各部門制定，并根據(jù)零件的風(fēng)險評估進行定制。QA數(shù)據(jù)是AM數(shù)字線程的一部分，也必須得到保護和正確管理。國防部將利用零部件流程為AM機器和材料鑒定以及材料管理制定政策和指導(dǎo)。

快速評估AM生產(chǎn)的零件以滿足設(shè)計要求對于確認(rèn)設(shè)計、生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)物理安全和穩(wěn)定高效的車間生產(chǎn)是至關(guān)重要的。由于快速機器和材料驗證方法，包括車間最佳流程，是在一個服務(wù)中制定的，因此將在整個部門共享并采用這些方法。

AM部件的檢查和驗證的方法如下所述。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化AM的檢測和計量。AM所帶來的一系列復(fù)雜幾何形狀、新型材料和獨特的微觀結(jié)構(gòu)可能會挑戰(zhàn)類似于無損檢測（NDI）的一些傳統(tǒng)檢測方法。國防部將繼續(xù)優(yōu)先投資于無損檢測驗證的標(biāo)準(zhǔn)化和開發(fā)，以提高檢測技術(shù)的最先進水平，滿足AM要求。?

（2）開發(fā)用于零件安全性驗證的原位傳感。逐層AM處理有助于校正和增強控制。AM機器的活動可以實時監(jiān)控，稱為原位感應(yīng)。這些信息可以反饋給機器的控制系統(tǒng)進行校正，稱為閉環(huán)控制。傳感和控制有助于提高對質(zhì)量的信心，并用于驗證制造是否正確。國防部將繼續(xù)研究和開發(fā)傳感器和控制系統(tǒng)，以改善AM過程的控制，并將支持這些技術(shù)向商業(yè)產(chǎn)品的過渡。?

（3）提供數(shù)據(jù)和軟件以支持驗證。數(shù)據(jù)管理擴展到質(zhì)量保證和驗證步驟。為質(zhì)量控制工程師提供正確的數(shù)據(jù)以評估AM生產(chǎn)的零件至關(guān)重要。國防部將確定與工業(yè)界合作，并投資評估數(shù)字線程和技術(shù)數(shù)據(jù)包中信息的效用，以驗證AM零件的質(zhì)量。

07

下步關(guān)鍵步驟

OSD和國防部各軍種將共同努力，通過實施本戰(zhàn)略加快采用AM。OSD將支持根據(jù)增材制造戰(zhàn)略完善國防部軍種級別實施計劃。本文主要討論各項行動，接下來的關(guān)鍵步驟包括：

（1）合作開展聯(lián)合AM活動。OSD將繼續(xù)通過聯(lián)合國防制造委員會和聯(lián)合增材制造工作組與國防部各軍種及機構(gòu)間的合作。他們將確保軍種、國防部、國防后勤局（DLA）和其他部門之間的最高級別的協(xié)調(diào)，以共同實施這一戰(zhàn)略活動為目標(biāo)。JAMWG將確定國防部各軍種和機構(gòu)采用和跟蹤AM的使用、管理和價值指標(biāo)。

（2）完善國防部實施計劃。國防部各軍種和機構(gòu)將與OSD合作，根據(jù)需要完善或制定AM實施/戰(zhàn)役計劃和路線圖，以與本AM戰(zhàn)略保持一致。

（3）實施計劃并與行業(yè)合作。OSD和國防部軍種和機構(gòu)將通過啟動試點項目來解決運營和業(yè)務(wù)差距。OSD和國防部軍種和機構(gòu)將與行業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織合作，制定和實施通用AM標(biāo)準(zhǔn)。國防部將評估并確保有足夠的資源支持這項活動。

（4）維持AM數(shù)字工作流程。國防部將施行AM政策、指導(dǎo)和培訓(xùn)計劃，將AM轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N被廣泛接受和理解的制造技術(shù)。國防部將實施AM政策和指導(dǎo)，以確保向新硬件的全數(shù)字化設(shè)計過渡。OSD和國防部軍種和機構(gòu)將支持研發(fā)計劃，將先進技術(shù)（如人工智能、機器學(xué)習(xí)、過程監(jiān)控等）集成到AM數(shù)字線程和數(shù)字制造環(huán)境中去。

08

結(jié)論

在這一戰(zhàn)略的支持下，廣泛采用AM的預(yù)期優(yōu)勢是：1）通過面向AM的創(chuàng)新設(shè)計驅(qū)動更致命的系統(tǒng)，2）提高裝備的戰(zhàn)備完好性，3）使作戰(zhàn)人員能夠在戰(zhàn)區(qū)實時解決問題。為了實現(xiàn)這些效益，必須在國防部范圍內(nèi)對AM進行投資。與任何新技術(shù)一樣，實施起來都會存在障礙。技術(shù)的成熟度、人員的專業(yè)水平以及數(shù)據(jù)、材料和機器的可用性都將有助于利用新技術(shù)的優(yōu)勢。

該戰(zhàn)略中確定的目標(biāo)為國防部克服這些挑戰(zhàn)，實現(xiàn)AM的價值，使國家國防現(xiàn)代化，提高裝備戰(zhàn)備完好性提供了一條途徑。這一戰(zhàn)略的實施需要多個利益相關(guān)者在國防部內(nèi)部共同努力，并與其他政府機構(gòu)、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和美國盟友合作。