加快增材制造技術發展推進軍工制造業高質量發展

張志明 /文

近年來，我國增材制造技術發展應用得到穩步推進，但也存在亟待解決的共性問題。立足新發展階段，貫徹新發展理念，整體推進增材制造技術體系構建和科技成果轉化應用的新發展格局，對于增強我國制造業競爭優勢和軍工制造業先進制造能力，實現高水平科技自立自強，推進高質量發展具有十分重要的戰略意義。

增材制造技術原理與特點

增材制造技術是一種利用激光或電子束等手段，根據三維數據模型通過材料分層堆積制造、逐層疊加，直接、快速、精確形成實體零件的先進制造技術，是集先進制造、數字化制造、綠色制造、新材料應用、精密控制等技術于一體的新技術，可加工出其他傳統工藝方法無法完成的復雜構件、獨特地組合各種材料、快速地驗證新設計原理和概念，以及創建輔助制造的專業工裝和模具等。增材制造是涵蓋材料、工藝、裝備、數字化技術的全鏈條、多學科融合的復雜技術體系，成形材料包含金屬、聚合物、陶瓷、復合材料和生物材料等；成形工藝包括激光、電子束、電弧以及組合能源制造；成形尺寸從微納米元器件到10m 以上大型航空結構件；成形方式從開始的原型制造發展為直接制造和批量制造，從3D 打印到隨時間或外場可變的4D打印等。

增材制造技術特別適合復雜零件制造

增材制造技術不需要傳統模具、刀具、夾具及多道加工工序，在一臺設備上即可快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件，解決了傳統工藝難以實現的復雜結構零件的制造成形，實現了“所想即所得”的“自由制造”，且低碳環保，大幅減少了原材料消耗以及加工時間。尤其是大型復雜構件，不需要重型鍛造工業的基礎設施和模具等，減少了生產環節，縮短了加工周期，實現了快速響應和低成本制造，使傳統的產品設計和制造概念發生革命性變化，成為實現產品系統創新和制造技術現代化、支撐武器戰備戰場修復和作戰能力快速就緒的強大工具。

美國政府高度重視并全力推動增材制造技術發展

政府建立國家級創新機構帶動全國增材制造技術發展

為實現美國制造業整體復興，2012 年美國政府開始實施國家制造創新網絡計劃，旨在打造輻射全美的推動制造技術進步的協同科技創新體系。其第一項內容就是由國防部牽頭組建國家級增材制造創新機構（后改為“美國造”），幫助企業掌握先進技術和設備，促進增材制造成為主流制造技術。創新機構十年來取得了令人矚目的業績和成效：一是凝聚國內增材制造領域主要學術界和工業界及軍隊力量，制定發布《增材制造技術路線圖》，系統規劃全美增材制造技術在設計、材料、工藝、價值鏈、基因組等方面的發展應用；二是與美國國家標準研究院共同實施“增材制造標準化合作”計劃，發布《增材制造標準化路線圖》，協同制定工業增材制造標準與規范，加速增材制造產業發展；三是支持多項成員間廣泛合作的技術開發項目。面向增材制造的設計、工藝優化、材料性能，以及價值鏈推進和材料基因組構建等多個技術方向，圍繞國防安全和經濟發展需求，累計實施項目200 余項，有力推動了相關技術從實驗室到產業化的轉移，帶動了整個美國增材制造技術進步和產業鏈的發展。

國防部對增材制造技術發展進行系統部署

美國國防部在推進增材制造技術發展方面始終走在前列，將增材制造上升到戰略層面進行規劃布局，將其視為支持美國保持軍事優勢的一項戰略技術。一是在《2017財年國防授權法》提出“美國防部應大力推進增材制造能力發展，以提高作戰維護保障的效率及可持續性”，并作出系列安排部署；二是2019 年發布《有關國防部利用增材制造技術進行零部件維護保障的審查》，對增材制造技術應用成效進行評估，并對后續發展提出具體措施；三是2021 年國防部發布《增材制造戰略》和《增材制造在國防部的使用》，提出將增材制造集成到國防部和國防工業基礎的五項戰略目標，并對支撐實現各戰略目標的十七個關鍵領域進行系統布局。旨在推動增材制造成為像機械加工和鑄造鍛造等一樣被軍工企業廣泛應用的兼具普適性、通用性的基礎制造技術，促進軍民領域協同發展。

美國軍工領域增材制造技術率先推廣應用

增材制造技術非常適合制造復雜程度高、工作環境苛刻、可靠性要求高的航空航天和艦艇兵器等軍工產品零件，因此在美國軍工領域得到大力支持，并率先將這一先進技術實用化。

在艦船制造領域，2017 年美海軍發布并于2018 年再次發布“海軍增材制造實施計劃”，確定了制造技術和質量認證標準、擴大增材制造技術應用范圍、建立技術培訓和認證體系等內容。該計劃由政府、學術界和工業界共同實施，并由海軍增材制造執行委員負責監督。2018 年為“斯坦尼斯”號航母制備出天線旋轉接頭等零件，預期八周的修復時間縮短為一天；2019年成功為海豹突擊隊制備了小型載人潛水器艇體，生產周期從原來的5 個月縮短至數周，耗資從80 萬美元降至6 萬美元，增材制造節省了大量時間和成本。

在航空制造領域，通用電氣、波音、洛克希德·馬丁等大型軍工企業已將增材制造作為重要制造手段，用于零件快速原型制造、大型或復雜工裝低成本制造，以及高價值金屬零件直接制造等。波音公司目前已建20 多個增材制造中心/工廠，采用該技術生產F-15、F-18等軍用飛機以及波音777、787 等民用飛機共計數十類產品，超過7萬件增材制造零件在各類軍民用飛機上使用；洛·馬公司F-35 戰斗機的增材制造已從零件擴展到整個戰斗機的外翼盒；通用電氣公司已實現LEAP 發動機燃油噴嘴的批量化生產，由原來多個不同零件組合焊接改為一次打印成型，2020 年產量超4 萬件。

在兵器制造領域，美國陸軍一直對增材制造技術開展研究應用，實施了多項增材制造計劃。增材制造自2012 年開始用于戰場零件修復，數個集裝箱式增材制造維修實驗室曾部署到阿富汗，快速制造包括M1 主戰坦克受損發動機部件等戰場急需零部件，戰備完好率明顯提高；伊利諾伊州卓越高級制造中心于2019 年5 月達到初始運營能力，將為美國陸軍所有增材制造能力提供基礎；2019 年10 月陸軍發布推動增材制造整合到陸軍后勤保障體系和供應鏈中的政策，開發在整個部隊中使用該技術能力的流程，將基地與倉庫和工廠連接起來，共享工程圖紙和文件。

創想三維Ender 打印機

在核工業領域，反應堆零部件增材制造取得階段性突破；在航天領域，增材制造已用于國際空間站并提供制造服務，未來將用于航天器軌道現場維修，并為太空作戰提供技術儲備等。

我國增材制造技術穩步推進但存在短板弱項

我國高度重視增材制造技術進步和產業發展，近年來進入高速發展階段，在部分技術領域尤其是軍工領域的應用，已經達到國際先進水平。一是一批關鍵技術得到突破，研制出光固化、激光選區熔化、激光近凈成形、熔融沉積成形、電子束選區熔化成形等一批先進工藝裝備和零部件產品；二是國防科工局等部委、地方政府主導建立了多個增材制造創新中心，技術聯盟和產業聯盟相繼成立，推動了增材制造技術和產業發展；三是在航空航天等軍工領域應用處于領先水平，在某型戰機研制中采用激光增材制造了世界上最大的飛機鈦合金整體承力框，相關研究成果國際領先；大飛機C919 中用增材制造生產了飛機大尺寸復雜結構鈦合金主承力關鍵構件，以及長達3 米的中央翼緣條等。

但整體上，我國增材制造與先進國家相比仍存在較大差距，還不能滿足發展需求：一是基礎創新能力相對薄弱，比如，增材制造基礎研究、材料種類、工藝控制等；二是核心零部件及高性能工業軟件存在“被卡”風險；三是缺乏完善的行業準則，尚未建立起覆蓋設計、材料、工藝、設備，以及產品檢測和評價等全流程標準體系；四是工業化、實用化程度不高，目前我國增材制造尚處在科學試驗和單件小批量生產階段，未在企業生產單位實現常態化、規模化部署應用。

由Strateo 3D 打印機生產的專業零部件

促進軍工制造業增材制造技術發展的建議

當前，武器裝備發展體系化、信息化、自主化、實戰化需求愈加迫切，更新換代速度加快，對技術先進性、質量與可靠性、自主可控和經濟可承受性提出了更高要求。國防科技工業亟須加快轉變科研生產方式，大力發展新興制造技術，構建靈活反應、快速響應的工業制造能力。為此，要把握機遇，營造良好發展環境，努力實現增材制造技術跨越式發展。

加強增材制造技術科技成果轉化應用

今年國防科工局、財政部、國資委聯合發布了《促進國防工業科技成果民用轉化的實施意見》并作出系列部署，推動國防科技工業成果民用轉化。增材制造作為制造業極具代表性的數字化先進制造技術，已成為世界各國搶占未來產業制高點的焦點領域，也是各工業企業急需發展的共性先進技術。建議將增材制造技術發展作為當前制造領域科技成果轉化工作的重要抓手，系統推進軍用和民用領域科技成果的雙向轉化應用，整體推進增材制造技術在大中小型企業的轉移轉化，改變當前增材制造領域科技成果不少，但企業應用規模不廣、應用水平不高的局面，大幅提高科技成果轉化成效，擴大產業應用規模，加快推進企業數字化轉型和工藝技術創新工作，為提升軍工和民口制造能力，建設制造強國提供重要支撐。

加大增材制造基礎研究和現代化治理的力度

一是加強基礎研究。研究開發具有突破性意義的增材制造新技術、新裝備、新材料、新工藝，建立覆蓋全鏈條的增材制造技術體系。二是加強自主可控。加強增材制造工藝裝備及配套技術自主創新，擺脫關鍵核心零部件及相關軟件受制于人的局面，促進產業鏈、供應鏈的安全可控和自主發展。三是加強標準體系構建。構建全套涵蓋設計、材料、產品性能、認證檢測等的增材制造標準體系，完善行業準則，引領產業發展。四是加強數據庫建設。著力突破仿真建模優化技術，解決構件成形過程中的精度控制、缺陷控制、性能控制等難題，建立各層級材料-設計-工藝-裝備數據庫，提升增材制造技術體系的整體研究應用水平。

加強增材制造產學研用生態系統的構建

大學和研究機構對增材制造技術的研究最活躍、發展最快速，代表我國增材制造研發與應用最高水平，同時工廠企業有廣泛需求，產學研用生態系統的構建對促進整體發展尤為重要。建議充分發揮現有資源技術優勢和人才優勢、創新中心與聯盟以及企業創新主體作用，形成以企業為主體、市場為導向、產學研用結合、軍民口協同推進的增材制造創新聯盟，打造充滿活力的創新生態系統。