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(jì)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(xué)會(huì)及國際著名大學(xué)等網(wǎng)站所獲取的情報(bào)信息，編譯了2016年度美國關(guān)于新材料及先進(jìn)制造的政策，其中主要包括：21世紀(jì)美國國家安全科學(xué)技術(shù)與創(chuàng)新戰(zhàn)略、美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略計(jì)劃以及美國陸軍發(fā)布的2016～2045年新興科技趨勢報(bào)告等。重點(diǎn)闡述了在上述3份報(bào)告中均提到的金屬3D打印領(lǐng)域的國際動(dòng)態(tài)，希望能為國內(nèi)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(dòng)態(tài)提供一定的參考。

先進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出了軍事力量和國土防御，因此美國國家科技委員會(huì)國土與國家安全分委會(huì)于2016年5月發(fā)布了《21世紀(jì)美國國家安全科學(xué)、技術(shù)與創(chuàng)新戰(zhàn)略》報(bào)告。該報(bào)告闡述了美國國家安全在科技和創(chuàng)新背景下的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，指出科技與創(chuàng)新對(duì)于維護(hù)美國的全球領(lǐng)導(dǎo)地位、支撐美國國家安全戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。美國總統(tǒng)行政辦公室、國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和先進(jìn)制造國家計(jì)劃辦公室于2016年2月發(fā)布的《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略計(jì)劃》，主要用于促進(jìn)新技術(shù)向規(guī)模化、經(jīng)濟(jì)化和高效本土制造化轉(zhuǎn)變。美國陸軍2016年4月發(fā)布的《2016～2045年新興科技趨勢——領(lǐng)先預(yù)測綜合報(bào)告》，目的是為了幫助美國相關(guān)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(huì)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(yīng)用在這3份報(bào)告中均得到了重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)。

2 美國21世紀(jì)國家安全戰(zhàn)略

2016年5月底，美國國家科技委員會(huì)國土與國家安全分委會(huì)發(fā)布了《21世紀(jì)美國國家安全科學(xué)、技術(shù)與創(chuàng)新戰(zhàn)略》報(bào)告(以下簡稱戰(zhàn)略報(bào)告，見圖1)。該戰(zhàn)略報(bào)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(xué)、技術(shù)和創(chuàng)新方面的需求，同時(shí)設(shè)定了美國國家安全科學(xué)、技術(shù)和創(chuàng)新力量路線圖，強(qiáng)調(diào)了21世紀(jì)美國國家安全在全球化技術(shù)創(chuàng)新背景下的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

圖1 美國國家科技委員會(huì)國土與國家安全分委會(huì)發(fā)布的《21世紀(jì)美國國家安全科學(xué)、技術(shù)與創(chuàng)新戰(zhàn)略》報(bào)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(bào)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(rèn)為國家安全科學(xué)、技術(shù)和創(chuàng)新力量不僅包括在美國聯(lián)邦政府和國家實(shí)驗(yàn)室中工作的科學(xué)家和工程師，還包括更廣泛的學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)鏈中的科技人員，由他們共同不斷推動(dòng)科學(xué)、技術(shù)與創(chuàng)新方面的進(jìn)步，以確保國家軍事和國土防御沒有同級(jí)別的競爭對(duì)手。同時(shí)，他們還必須能夠?qū)π绿魬?zhàn)做出快速響應(yīng)，如科技全球化帶來的非對(duì)稱威脅，自然災(zāi)害、氣候變化等對(duì)人類社會(huì)穩(wěn)定的威脅，傳染病等其他人道主義和安全危機(jī)等。

戰(zhàn)略報(bào)告號(hào)召國家安全科學(xué)、技術(shù)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(guān)鍵國家安全科學(xué)與技術(shù)所必須的專業(yè)設(shè)施的能力；③擁有智能化管理國家安全科學(xué)與技術(shù)業(yè)務(wù)及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的能力；④利用私營企業(yè)變革性框架和創(chuàng)新性實(shí)踐成果的能力。

戰(zhàn)略報(bào)告共分為以下3個(gè)部分：①影響國家安全科學(xué)、技術(shù)與創(chuàng)新力量的技術(shù)趨勢，包括軍事、國土安全、情報(bào)、制造業(yè)、先進(jìn)計(jì)算和通信以及可再生、清潔和廉價(jià)能源；②國家安全科學(xué)、技術(shù)與創(chuàng)新力量面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，其中挑戰(zhàn)包括科學(xué)與技術(shù)的全球化、非對(duì)稱和不可預(yù)測威脅、自然災(zāi)害和人道主義危機(jī)、技術(shù)能力外移、老化的國家安全科學(xué)技術(shù)與創(chuàng)新設(shè)施、國家安全科學(xué)技術(shù)與創(chuàng)新人員挑戰(zhàn)；機(jī)遇包括國家安全科學(xué)技術(shù)與創(chuàng)新人員復(fù)興機(jī)遇、科技與創(chuàng)新外交機(jī)遇、科技與創(chuàng)新的全球發(fā)展和穩(wěn)定性機(jī)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(zhì)、流動(dòng)和多樣化，現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施，敏捷和有效地管理以及開放式創(chuàng)新方法等。

戰(zhàn)略報(bào)告指出，許多原先的軍用技術(shù)進(jìn)入民用后獲得了更廣闊的發(fā)展空間。譬如雷達(dá)和全球定位導(dǎo)航領(lǐng)域的創(chuàng)新，之前該領(lǐng)域一直由國家安全科技與創(chuàng)新力量開發(fā)和利用，當(dāng)它們進(jìn)入私有企業(yè)后，這些技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)今，美國私有商業(yè)技術(shù)的進(jìn)步往往已超越了該技術(shù)在美國聯(lián)邦國家安全機(jī)構(gòu)內(nèi)的發(fā)展。國家安全機(jī)構(gòu)完全有機(jī)會(huì)在私營企業(yè)的投資中利用其最佳的技術(shù)進(jìn)步成果。

目前眾多正在開發(fā)的新技術(shù)具有顯著的軍民兩用潛力。比如工程設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)分析和分子生物學(xué)的結(jié)合對(duì)在活的有機(jī)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(shù)相比具有更大的規(guī)模效應(yīng)和更快的速度，并能數(shù)字化分享這些設(shè)計(jì)；納米技術(shù)保證了工程化應(yīng)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(shè)計(jì)概念和現(xiàn)實(shí)之間的障礙。

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

新技術(shù)開發(fā)的成本可以通過應(yīng)用建模和仿真工具，結(jié)合現(xiàn)有的商業(yè)創(chuàng)新和技術(shù)，使用開放式系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)來削減。企業(yè)應(yīng)提前準(zhǔn)備好支持新興的和顛覆性技術(shù)的儲(chǔ)備——特別是與國家安全相關(guān)領(lǐng)域制造技術(shù)的發(fā)展，包括增材制造、納米技術(shù)、生物材料、柔性微電子材料等領(lǐng)域。

3 美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略計(jì)劃

2012年3月，美國奧巴馬政府宣布啟動(dòng)國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(NNMI)，在重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域建設(shè)制造業(yè)創(chuàng)新中心，從而重建美國制造業(yè)在全球的領(lǐng)導(dǎo)地位。經(jīng)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(xué)技術(shù)委員會(huì)、先進(jìn)制造國家計(jì)劃辦公室再次發(fā)布《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃年度報(bào)告》及《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略計(jì)劃》(以下簡稱計(jì)劃，見圖2)。

圖2 美國總統(tǒng)行政辦公室、國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、先進(jìn)制造國家計(jì)劃辦公室發(fā)布的《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略計(jì)劃》[2]Fig.2 Cover page of National Network for Manufacturing Innovation Program Strategic Plan[2]

該計(jì)劃吸引了美國國防部、能源部、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、商業(yè)部、農(nóng)業(yè)部、教育部、國家宇航局、國家科學(xué)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(gè)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(shù)字化制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究所(2014年)；③輕質(zhì)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(shè)立了3個(gè)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(jìn)復(fù)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(jì)劃的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)之一，美國宇航局正在努力通過其國家先進(jìn)制造中心致力于以國家太空任務(wù)為中心的先進(jìn)制造，重點(diǎn)開發(fā)研究太空設(shè)施內(nèi)的“技術(shù)平臺(tái)”和制造技術(shù)，減輕太空飛行設(shè)施中材料的重量。美國宇航局自NNMI成立之初就參與了該計(jì)劃的活動(dòng)，并致力于與其他參與機(jī)構(gòu)的合作，解決先進(jìn)制造業(yè)研究和發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)難題，加快先進(jìn)制造突破性發(fā)展并實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。美國宇航局的先進(jìn)制造研究和開發(fā)主要集中在以下幾個(gè)方面：尖端材料、增材制造(3D打印)、聚合物基復(fù)合材料、金屬加工、機(jī)器人、材料計(jì)算物理建模、非破壞性評(píng)估和其他高度專業(yè)化的領(lǐng)域。

美國國家科學(xué)基金會(huì)在NNMI項(xiàng)目中主要支持尺度在納米～千米范圍內(nèi)引發(fā)革命性進(jìn)展的基礎(chǔ)研究，包括過程模擬、先進(jìn)傳感與控制技術(shù)、使用環(huán)保材料的智能制造、化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和控制、制造工藝以及使能技術(shù)支撐的生物制藥、生物技術(shù)、生物能源產(chǎn)業(yè)，并強(qiáng)調(diào)效率、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響的最小化。

美國農(nóng)業(yè)部也認(rèn)識(shí)到先進(jìn)制造對(duì)可持續(xù)的農(nóng)村經(jīng)濟(jì)利益最大化所起的作用。他們更感興趣的領(lǐng)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(huì)帶來相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)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(chǔ)存C；④長纖維素產(chǎn)品壽命的長短取決于是負(fù)碳或碳中性。纖維素納米晶體材料具有類似芳綸的強(qiáng)度和類似石英的壓電性能，可以用來制作光子晶體結(jié)構(gòu)。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(jìn)型產(chǎn)品，包括更輕更韌的紙/紙板產(chǎn)品，更輕、更堅(jiān)固的建筑材料，耐久木制品，熱障涂層，防護(hù)衣，汽車和飛機(jī)的復(fù)合板，電子產(chǎn)品，生物醫(yī)用產(chǎn)品等。

先進(jìn)制造涉及到開發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)品的制造新方法以及新產(chǎn)品的創(chuàng)造，均源于對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用。美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略計(jì)劃有4大目標(biāo)：①提高美國制造業(yè)的競爭力； ②促進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)的可擴(kuò)展性和成本效益的轉(zhuǎn)變，全面發(fā)揮本土制造能力； ③加快先進(jìn)制造業(yè)勞動(dòng)力的發(fā)展； ④支持促進(jìn)各個(gè)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(gè)目標(biāo)是支撐美國制造業(yè)創(chuàng)新、相互關(guān)聯(lián)的重要元素，以減少前期基礎(chǔ)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(chǔ)研究投資中獲得經(jīng)濟(jì)效益和國家安全利益。

美國競爭力委員會(huì)確定了10種競爭驅(qū)動(dòng)力，該計(jì)劃選取了其中6種作為制造業(yè)競爭驅(qū)動(dòng)力，包括供應(yīng)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(chǔ)設(shè)施， 用以支持以美國本土制造為主的產(chǎn)品，并促進(jìn)美國在先進(jìn)制造業(yè)研究、創(chuàng)新和技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位。

制造成熟度等級(jí)(Manufacturing Readiness Levels, MRLs)和技術(shù)成熟度等級(jí)(Technology Readiness Levels, TRLs)被美國國防部、其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)和行業(yè)用來評(píng)估新技術(shù)的成熟度。當(dāng)一個(gè)新的系統(tǒng)或組件發(fā)展到MRL 4，它就能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下生產(chǎn)；如果發(fā)展到MRL 7，則它已被證明能夠?qū)崿F(xiàn)商品化生產(chǎn)。

各個(gè)制造創(chuàng)新研究所的重點(diǎn)是將這些創(chuàng)新的制造工藝和技術(shù)轉(zhuǎn)化到國防和商業(yè)應(yīng)用。各個(gè)所引領(lǐng)著早期階段制造能力從MRL4到MRL 7的轉(zhuǎn)型，提升了美國企業(yè)的可擴(kuò)展性、成本有效性和高性能的制造能力，重點(diǎn)改造了有前途的制造能力轉(zhuǎn)化為成熟的制造方法，并向美國工業(yè)部門轉(zhuǎn)化和過渡有商業(yè)前景的創(chuàng)新制造能力。這兩項(xiàng)功能對(duì)于解決具有前景的制造能力和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用之間的差距至關(guān)重要。

在加速制造業(yè)人力資源建設(shè)方面，各個(gè)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(jìn)行了一系列網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，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(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)(STEM)領(lǐng)域相關(guān)的工作培養(yǎng)未來制造人才，擴(kuò)大相關(guān)中等和高等教育的途徑(包括認(rèn)證)，針對(duì)先進(jìn)制造技能要求開展國家和地方教育、協(xié)調(diào)培訓(xùn)課程等，提升下一代技術(shù)工人所需具備的能力，并培養(yǎng)高級(jí)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(gè)制造創(chuàng)新研究所以關(guān)鍵利益關(guān)聯(lián)者作為潛在的成員和合作伙伴。這些利益相關(guān)者可能包括大、中、小型工業(yè)企業(yè)，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，聯(lián)邦政府組織，州和地方政府，國家實(shí)驗(yàn)室以及專業(yè)協(xié)會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(guān)者的需求、各自的貢獻(xiàn)及回報(bào)，并明確了價(jià)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(bào)告

美國陸軍2016年4月發(fā)布了《2016～2045年新興科技趨勢——領(lǐng)先預(yù)測綜合報(bào)告》(以下簡稱預(yù)測報(bào)告)。該預(yù)測報(bào)告長達(dá)35頁、圖文并茂，由美國陸軍副助理部長辦公室(研究與技術(shù))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(shù)趨勢、應(yīng)對(duì)未來的不確定性。該預(yù)測報(bào)告主要有兩大目標(biāo)：①使美國陸軍將領(lǐng)及國際利益相關(guān)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(guān)科技投資的戰(zhàn)略對(duì)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(lǐng)先預(yù)測綜合報(bào)告》[4]Fig.3 Cover page of Emerging Science and Technology Trends: 2016～2045 (A Synthesis of Leading Forecasts)[4]

該預(yù)測報(bào)告分析了過去5年內(nèi)由美國政府機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)、咨詢機(jī)構(gòu)、國際研究所、工業(yè)界、智囊團(tuán)和智庫等發(fā)布的32份科技預(yù)測報(bào)告，以及在這些報(bào)告中提到的690項(xiàng)科技趨勢，通過綜合比對(duì)分析，最終提煉并明確了24個(gè)最值得關(guān)注的新興科技趨勢，其中包括：機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)系統(tǒng)、增材制造、大數(shù)據(jù)分析、人體機(jī)能增強(qiáng)系統(tǒng)、移動(dòng)和云計(jì)算、醫(yī)療進(jìn)步、網(wǎng)絡(luò)空間、能源、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、食物與水技術(shù)、量子計(jì)算、社交媒體使能、先進(jìn)數(shù)碼產(chǎn)品、混合實(shí)境(即虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))、氣候變化的技術(shù)、先進(jìn)材料、新型武器、太空技術(shù)、生物合成等，報(bào)告還對(duì)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(chǎn)階級(jí)的崛起等6大影響社會(huì)政治變革、技術(shù)和安全的發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述。

該預(yù)測報(bào)告結(jié)合新興科技發(fā)展趨勢分析，提出了美國軍事在應(yīng)對(duì)未來發(fā)展方面應(yīng)該思考的5大戰(zhàn)略問題：①除了進(jìn)行商業(yè)并購，美國陸軍如何更迅速地從技術(shù)創(chuàng)新中受益，尤其是商業(yè)研發(fā)成果的應(yīng)用；②假定創(chuàng)新實(shí)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(shù)；③美國軍隊(duì)是否為未來智能技術(shù)的發(fā)展所帶來的變化做好準(zhǔn)備，以應(yīng)對(duì)競爭對(duì)手；④美國陸軍如何更好地與聯(lián)合團(tuán)體、國際伙伴、非政府組織及其他利益相關(guān)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(lì)自身研發(fā)中心的創(chuàng)新。

當(dāng)今社會(huì)，創(chuàng)新科技不斷涌現(xiàn)，強(qiáng)化了個(gè)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(shù)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(fù)雜物件，比如工具、電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)施等等。人們可以根據(jù)自身需要自定義，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化產(chǎn)品定制。而以虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR和AR)為主的“混合實(shí)境”則已經(jīng)為電子消費(fèi)產(chǎn)業(yè)注入了活力，未來將應(yīng)用于更多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，來傳遞實(shí)時(shí)的情景感知體驗(yàn)(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(xué)取得了顯著的進(jìn)步，例如，自愈合和自清潔的功能材料、可恢復(fù)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(jié)構(gòu)性能和電學(xué)性能的納米材料。特別是納米材料在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的潛力。在納米級(jí)(小于100 nm)，碳等普通材料顯現(xiàn)出了獨(dú)特的性能，譬如石墨烯。納米材料被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)涂層、飛機(jī)和汽車用復(fù)合材料、輕體盔甲和高效光伏器件等。除了工業(yè)應(yīng)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(shí)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(fù)合材料將被應(yīng)用于服裝、建材、車輛、道路和橋梁等。先進(jìn)的新材料能夠被利用來生產(chǎn)更輕、更強(qiáng)的防彈衣，更高效的汽車和住房，更強(qiáng)大的電池和可再生能源系統(tǒng)。

在“量子計(jì)算”方面，雖然大多數(shù)對(duì)于量子計(jì)算技術(shù)的研究興趣集中在如何將其運(yùn)用于破解密碼，但它可能會(huì)成為一項(xiàng)改變許多其他諸如氣候模擬、藥物研究和材料科學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域的革命性技術(shù)。據(jù)預(yù)測，量子計(jì)算機(jī)的真正商業(yè)化應(yīng)用可能出現(xiàn)在21世紀(jì)40年代中期。

到2045年，“機(jī)器人與自主系統(tǒng)”將會(huì)被普遍運(yùn)用，擁有自主系統(tǒng)的無人駕駛汽車在使運(yùn)輸更加便利和高效的同時(shí)也會(huì)為共享經(jīng)濟(jì)的崛起注入活力，會(huì)對(duì)大眾交通運(yùn)輸和物流造成革命性的改變；機(jī)器人將會(huì)被應(yīng)用于照顧老年人、運(yùn)輸貨物、收獲莊稼、維護(hù)公共治安等多個(gè)領(lǐng)域。

該預(yù)測報(bào)告中討論的未來科技發(fā)展趨勢主要集中于在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪菰絹碓街匾巧臄?shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。未來30年，該技術(shù)將使我們能夠超越生物對(duì)人類潛能的限制，通過物聯(lián)網(wǎng)連接的可穿戴設(shè)備將直接為我們的感官提供相關(guān)的信息覆蓋。此外，增材制造的創(chuàng)新將賦予個(gè)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(shù)領(lǐng)域，合成生物學(xué)反映了一種設(shè)計(jì)生命本身基本遺傳結(jié)構(gòu)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(shù)進(jìn)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(lǐng)域的國際動(dòng)態(tài)

在上述3份報(bào)告中，增材制造(3D打印)技術(shù)均得到重點(diǎn)提及，下面就金屬3D打印方面的國際動(dòng)態(tài)進(jìn)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(lǐng)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(duì)1300件3D打印的飛機(jī)零部件樣品進(jìn)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(rèn)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(shù)，該技術(shù)能夠?qū)i金屬絲轉(zhuǎn)化成復(fù)雜部件以應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)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(shù)對(duì)這些零件進(jìn)行加工，整個(gè)制造過程成本縮減了50%～70%，時(shí)間縮短75%。

Norsk Titanium致力于建立一個(gè)全球航空航天零部件的供應(yīng)基地，用3D打印零件取代商用飛機(jī)上大量的鍛造件。公司在美國匹斯堡建立了一座工業(yè)級(jí)3D打印工廠，與美國鋁業(yè)公司聯(lián)合發(fā)起了一項(xiàng)3D打印工業(yè)合作項(xiàng)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(jìn)行合作。

另一家新興公司為荷蘭的AdditiveIndustries，2016年初其推出了室內(nèi)工業(yè)級(jí)Metal FAB1金屬3D打印機(jī)。該公司最初只建造了3套設(shè)備，結(jié)果3個(gè)月之內(nèi)就被包括空中客車集團(tuán)子公司APWorks在內(nèi)的3家公司搶購一空。

5.2 行業(yè)巨頭布局3D打印產(chǎn)業(yè)

雖然對(duì)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(lǐng)域的先驅(qū))75%的股權(quán)，還購買到了瑞典Arcam 3D打印公司(電子束熔融金屬3D打印機(jī)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(bǔ)充。

對(duì)Arcam和Concept Laser的收購表明，美國GE公司志在擴(kuò)大其3D打印業(yè)務(wù)，截至目前，它已經(jīng)針對(duì)增材制造技術(shù)投資了大約15億美元，獲得了346項(xiàng)專利。美國GE公司預(yù)計(jì)，在未來10年內(nèi)，公司將因此節(jié)約成本30～50億美元。

當(dāng)然，波音和空客也毫不例外地?cái)U(kuò)大了其在3D打印技術(shù)方面的投入。

5.3 合作型基礎(chǔ)研究改進(jìn)工藝技術(shù)

卡耐基梅隆大學(xué)的科學(xué)家們利用美國能源部下屬的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的高強(qiáng)度同步輻射X射線等先進(jìn)設(shè)備分析了Ti-6Al-4V 3D打印部件。研究結(jié)果表明，在選擇性激光熔化(SLM)或電子束熔融(EBM)3D打印機(jī)中使用鈦金屬粉末時(shí)，氣體會(huì)被困在液態(tài)的金屬層中，從而在3D打印金屬部件內(nèi)部生成諸多泡沫孔隙。根據(jù)觀察到的結(jié)果，這些孔隙尺寸小到幾微米、大到幾百微米不等,而且隨機(jī)分布，導(dǎo)致3D打印鈦合金部件內(nèi)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(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員Ibo Matthews和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，激光照射金屬粉末造成的氣體流動(dòng)，是導(dǎo)致在3D打印過程中激光路徑附近的粉末被驅(qū)走的主要驅(qū)動(dòng)力。這一“剝蝕”現(xiàn)象導(dǎo)致了激光在進(jìn)行下一段照射熔融的時(shí)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(shí)勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了一項(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的項(xiàng)目——金屬增材制造的加速認(rèn)證倡議ACAMM(Accelerated Certification of Additively Manufactured Metals Initiative)。該倡議旨在改進(jìn)金屬3D打印技術(shù)和推動(dòng)其在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。這種基于基礎(chǔ)研究的方法將結(jié)合物理模型、數(shù)據(jù)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(rèn)證過程，最終幫助金屬3D打印技術(shù)充分發(fā)揮其潛力。

為什么金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用一直沒有達(dá)到我們期待的顛覆性水平？LLNL的研究人員表示，首先是因?yàn)槲覀內(nèi)狈?duì)復(fù)雜金屬增材制造技術(shù)的掌握，比如SLM(選擇性激光熔化)等背后關(guān)鍵機(jī)理的基本理解；其次，3D打印金屬部件的認(rèn)證時(shí)間很長。

因此，ACAMM倡議有兩個(gè)主要目標(biāo)：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(rèn)證策略，對(duì)近凈成形金屬零件提供關(guān)鍵應(yīng)用認(rèn)證，從而大幅降低成本。

另外，密蘇里科技大學(xué)的研究人員也與霍尼韋爾聯(lián)邦制造&技術(shù)公司合作，主要對(duì)基于金屬粉末床的選擇性激光熔融(SLM)技術(shù)進(jìn)行了材料分析。該項(xiàng)目包括5項(xiàng)任務(wù)：①粉末特征描述，②材料屬性描述方法，③溫度對(duì)材料屬性的影響，④微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的控制，⑤與增材制造有關(guān)的化學(xué)分析。此外，美國能源部先進(jìn)制造辦公室也認(rèn)識(shí)到先進(jìn)3D打印金屬粉末產(chǎn)品的研究至關(guān)重要。埃姆斯國家實(shí)驗(yàn)室(Ames Lab)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)從美國能源部先進(jìn)制造辦公室(AMO)獲得了500萬美元資助，以推進(jìn)增材制造中金屬合金粉末的產(chǎn)品研究。鈦金屬的化學(xué)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(chǎn)級(jí)的新材料。上述兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)將推進(jìn)金屬合金粉末的整體生產(chǎn)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(zhì)量的金屬合金粉末。具體分工是實(shí)驗(yàn)氣體霧化和合金設(shè)計(jì)將主要在Ames實(shí)驗(yàn)室的粉末合成設(shè)施中進(jìn)行，而ORNL將在其制造示范工廠對(duì)材料進(jìn)行增材制造實(shí)驗(yàn)。

6 結(jié) 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(wǎng)絡(luò)計(jì)劃》，均注重“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)了學(xué)術(shù)交流、資源共享以及成果轉(zhuǎn)化；其本質(zhì)與我國近年來所執(zhí)行的“工程中心”、“科研-中試-產(chǎn)業(yè)”、“學(xué)術(shù)聯(lián)盟”、“產(chǎn)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(yīng)積極與其他機(jī)構(gòu)廣泛合作，確定研究和發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)難題，集中資源以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，加快先進(jìn)材料的突破性研發(fā)并將其盡快轉(zhuǎn)變成商業(yè)產(chǎn)品。

綜上所述，石墨烯等新型材料、納米技術(shù)、生物神經(jīng)科學(xué)、3D打印技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能等多領(lǐng)域的結(jié)合將孕育新一輪的產(chǎn)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