2016年國務(wù)院印發(fā)了“健康中國2030規(guī)劃綱要”，明確提出發(fā)展精準(zhǔn)醫(yī)療與智能醫(yī)療技術(shù)，3D打印憑借其技術(shù)優(yōu)勢，在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)模型構(gòu)建，可植入醫(yī)療器械等領(lǐng)域缺乏大量專業(yè)技能人才，泛銳研究院3D打印人才培養(yǎng)中心聯(lián)合西安點云生物科技有限公司，第四軍醫(yī)大學(xué)二附院等開展“數(shù)字化骨科3D打印技術(shù)”技能培訓(xùn)，普及3D打印在骨科中的應(yīng)用，為數(shù)字化骨科儲備人才，“第三期“數(shù)字化骨科3D打印技術(shù)”技能培訓(xùn)班”就要開課啦！

美國《空天力量雜志》在其網(wǎng)站發(fā)表了代頓大學(xué)材料工程學(xué)博士阿曼達(dá)·希蘭德的文章,對當(dāng)下大熱的增材制造技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景進(jìn)行了深度分析與解讀。阿曼達(dá)·希蘭德是引信電子學(xué)與設(shè)計項目的首席研究員,負(fù)責(zé)美國空軍研究實驗室彈藥部的“柔性電子與通用兵器制造”和“極端環(huán)境中的電子集成電路”項目。 ▲AM技術(shù)能保障機敏性，它以快速而低廉的設(shè)計和制造，迅速產(chǎn)生出單一或多種原型機件，滿足一系列任務(wù)需要，包括實地即時修理和更換部件
我們可能擁有每一種技術(shù)資源……但是如果沒有充分的語言來表述,我們的想象就飄忽無形,我們的思維和感受就徘徊不前,我們的程序也許帶有“革命性”,但帶不來改革——詩人雅德安·瑞奇 戰(zhàn)略機敏性概念,以靈活、適變和速度為其屬性,藉此來應(yīng)對快速和意外變化帶來的挑戰(zhàn)。戰(zhàn)役機敏性也是這樣,其特征是針對特定的挑戰(zhàn)迅速生成多個應(yīng)對方案,并能在不同的方案之間切換,由此應(yīng)對新現(xiàn)的威脅。增材制造(以下簡稱AM,又稱3D打印)技術(shù)適時而生,正好能夠滿足戰(zhàn)略和戰(zhàn)役層次的機敏性需要。長遠(yuǎn)來看,AM有可能是一項改變游戲規(guī)則的技術(shù),即能最大限度地利用多域(陸地、天空、海上、太空、網(wǎng)絡(luò))整合,從而生成巨大的靈活性。正視現(xiàn)實,21世紀(jì)的防務(wù)挑戰(zhàn)不可能用單獨一個方案來解決,只能依靠機敏性來提供多種對應(yīng)方式。飛速的變化既對那些滯后落伍者構(gòu)成難以逾越的障礙,也為那些機敏應(yīng)變者帶來長久的優(yōu)勢。我們雖不需要總是以最快速度行動,但是保持這樣的速度選擇,就能減少對手的反應(yīng)機會。AM技術(shù)能保障機敏性,它以快速而低廉的設(shè)計和制造,迅速產(chǎn)生出單一或多種原型機件,滿足一系列任務(wù)需要,包括實地即時修理和更換部件。我們把3D打印設(shè)備和材料預(yù)置或投放于各戰(zhàn)略地點——包括陸地、海洋、太空——就形成按需生產(chǎn)機件的能力,從而縮短設(shè)計和裝配這兩個階段的制造周期。有充分的理由相信,AM技術(shù)有潛力支持美國眾多面向的國防使命,同時生成長遠(yuǎn)的成本節(jié)約效益。 本文考察美國空軍的一些關(guān)鍵報告、規(guī)劃文件和其他相關(guān)資源,通過這些戰(zhàn)略框架文件研判AM能力在軍隊的現(xiàn)狀和發(fā)展,并在此基礎(chǔ)上提出對未來聯(lián)合研發(fā)努力的一些認(rèn)識和看法。雖然本文主要關(guān)注美國空軍,但文中的AM研發(fā)概念可以適用于國防部的所有軍種和機構(gòu)。本文首先概述AM技術(shù)在軍隊的發(fā)展,然后探索此技術(shù)在物流和后勤支援領(lǐng)域的作用,進(jìn)一步,本文評估AM技術(shù)對國防采辦流程的影響,最后討論此技術(shù)的未來機遇和挑戰(zhàn)。 ▲為了實現(xiàn)多域整合效果，美國空軍研究實驗室正積極將AM技術(shù)應(yīng)用于各種領(lǐng)域
AM技術(shù)在軍事領(lǐng)域的發(fā)展 美國正在大力振興工業(yè)制造業(yè),其中的一項努力是大力拓展AM技術(shù)所具備的有效設(shè)計復(fù)制和快速樣機制造能力。例如,《沃勒斯2015年報告》稱,AM工業(yè)自1995年以來有了巨大發(fā)展,最初的市場規(guī)模為2.95億美元,在2014年估計達(dá)到41億美元。工業(yè)3D打印機制造商也從1995年的15家增加了兩倍多,如今在13個國家有49家公司,共售出12850套系統(tǒng),每套系統(tǒng)價值5000美元到50萬美元不等。使用AM技術(shù)的主要產(chǎn)業(yè),按從大到小的順序排列,有工/商業(yè)機械(17.5%)、消費產(chǎn)品/電子產(chǎn)品(16.6%)、汽車(16.1%)、航空航天(14.8%)、醫(yī)療/牙科(13.1%)、學(xué)術(shù)機構(gòu)(8.2%)、政府/軍事(6.6%)、“其他”產(chǎn)業(yè)如油、氣、商用產(chǎn)品(3.9%)、及建筑業(yè)(3.2%)。雖然根據(jù)這份報告,政府/軍界對AM技術(shù)和產(chǎn)品的使用僅占統(tǒng)計總值的6.6%,但這比之前2014年的數(shù)據(jù)增長了1.2%。 軍隊每個軍種以及大部分供應(yīng)基地和軍械庫,都在進(jìn)行獨立的AM開發(fā)努力和上馬項目。比如,陸軍、海軍及國防部承包商,從2012年到2014年把3D打印機前沿部署到了“戰(zhàn)地”,并在繼續(xù)推進(jìn)這項努力。軍種之間也有重大合作,所有合作項目已在過去兩年內(nèi)啟動或加強,投資也在持續(xù)增加。 為了實現(xiàn)多域整合效果,美國空軍研究實驗室設(shè)在佛羅里達(dá)州埃格林空軍基地的彈藥部,正與設(shè)在俄亥俄州萊特-帕特森空軍基地的材料與制造部及傳感器部緊密合作,積極將AM技術(shù)應(yīng)用于各種領(lǐng)域,例如,開發(fā)用于機艙有限空間的靈活及模塊化武器、目標(biāo)變換、共形情報監(jiān)視偵察,以及柔性電子器件。AM技術(shù)應(yīng)用在這些目標(biāo)領(lǐng)域的逐步成熟,將有助于提高作戰(zhàn)能力,不僅提升小型武器的殺傷力,并降低關(guān)鍵部件補充和更新所需的時間和費用。 “柔性電子器件和通用軍械制造”(FLEGOMAN)計劃從全盤著眼,研發(fā)AM技術(shù),用以制造將裝入典型彈藥的多種部件和材料,包括金屬外殼、用于電子追蹤和電容器的新型導(dǎo)電“油墨”、能與打印兼容的改良含能材料配方,等等。直接打印電子器件的好處之一是:比用常規(guī)技術(shù)加工的電子產(chǎn)品能更有效地利用空間,也減少浪費。例如,把武器系統(tǒng)內(nèi)部或外部的電子器件簡化成打印模式,就能減少重量和尺寸,并騰出寶貴的內(nèi)部空間。打印柔性電子產(chǎn)品的其它例子包括:戰(zhàn)士頭盔上的無線電天線,不僅減少佩戴重量,亦有助于佩戴者行移運動;還有嵌入服裝的電子元件,既能增加防護(hù),也可用于健康監(jiān)測。 空軍理工學(xué)院也運用AM技術(shù)完成了小比例侵入機的概念驗證設(shè)計。這種新穎的設(shè)計包括復(fù)雜的內(nèi)部蜂窩特征,而傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)無法實現(xiàn)這種特征。他們在設(shè)計過程中納入了一種稱為“拓?fù)鋬?yōu)化”的方法,生成了應(yīng)力分布最優(yōu)化的戰(zhàn)略構(gòu)架,從而減少結(jié)構(gòu)總重量。為了增加強度,他們正在進(jìn)行金屬成分和后加工熱處理方面的完善努力。 在FLEGOMAN計劃下,有關(guān)課題組與美國陸軍設(shè)在新澤西州皮卡汀尼軍工廠的軍備研發(fā)及工程中心協(xié)作,用AM成功制造出引爆裝置。該軍工廠的科研一向重視電子打印技術(shù),現(xiàn)已能噴墨打印和絲網(wǎng)打印出彈藥天線、引信元件和電池。運用AM技術(shù),課題組嘗試了一系列非傳統(tǒng)但極有前途的選用材料,包括金屬納米顆粒。這些新型制造技術(shù)和材料有潛力超越傳統(tǒng)制造設(shè)備的性能,同時享有AM技術(shù)帶來的物流靈活性。 陸軍設(shè)在阿拉巴馬州亨茨維爾市的航空和導(dǎo)彈研發(fā)與工程中心(AMRDEC)正在研制相關(guān)的工具和程序,以推進(jìn)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)及部件的拓?fù)鋬?yōu)化狀態(tài)。拓?fù)鋬?yōu)化是一個設(shè)計過程,從中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)能用最少的物料來達(dá)到理想的性能,例如最大剛度、預(yù)定的自然頻率,和優(yōu)化的熱流量。AMRDEC中心計劃將合理簡化這個優(yōu)化/設(shè)計過程,改進(jìn)輕質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu),納入構(gòu)造方面的考慮,展現(xiàn)優(yōu)化的導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)。該中心通過多個科技項目與設(shè)在賓州霍薩姆的材料科學(xué)公司、桑迪亞國家實驗室,以及匹茲堡大學(xué)合作。該中心將在2017年建成一個新AM設(shè)施,專門用于開展這些科研項目,培訓(xùn)AMRDEC人員,推進(jìn)AM技術(shù)對航空和導(dǎo)彈的應(yīng)用。 海軍也一直積極利用近來突飛猛進(jìn)的AM技術(shù)。作為早期采用者,海軍在過去的二十年里已經(jīng)使用了幾代的AM技術(shù)來加快樣機研發(fā)。最近幾年來,海軍探索如何應(yīng)用AM技術(shù)來解決陳舊部件替換問題。往往,在某系列艦船或潛艇研發(fā)期間制造的部件,原廠家早已停止生產(chǎn),或者已不復(fù)存在,這種情況導(dǎo)致了耗資而漫長的采辦,有些艦船因此而無法出航。在海軍的各艦隊?wèi)?zhàn)備中心和區(qū)域維修中心,他們正以許多方式利用AM技術(shù),既省時省錢,又保障艦隊?wèi)?zhàn)備。海軍改善戰(zhàn)備狀態(tài)的愿望正在海上得到檢驗。為了利用AM技術(shù)隨時直接生產(chǎn)零件,而不只是生產(chǎn)原型機件,海軍研究局一直在尋求與業(yè)界合作,這種合作伙伴關(guān)系對于保證AM技術(shù)生產(chǎn)的部件符合材料和艦隊的要求,至關(guān)重要。海軍武器部門也積極尋求運用AM技術(shù),來解決美國能量制造基礎(chǔ)日益縮小的問題,并利用AM技術(shù)的獨特性來改善裝備性能并加強安全性,同時縮短在艦隊安裝新能量系統(tǒng)的時間。 AM技術(shù)不僅在陸地找到了用途,現(xiàn)在也進(jìn)入了太空。美國國家航空航天局(NASA)馬歇爾太空飛行中心(MSFC)在2014年9月向國際空間站發(fā)送了第一臺3D打印機,用于測試塑料材料。第二臺3D打印機在2016年4月送往國際空間站。除了真正在太空打印之外,NASA-MSFC也根據(jù)3D掃描與AM相結(jié)合的一體化制造過程進(jìn)行逆向仿制,以縮短從設(shè)計到制造的開發(fā)周期時間。在NASA設(shè)在加州帕薩德納的噴氣推進(jìn)實驗室,創(chuàng)新先進(jìn)概念課題組開發(fā)出一個兩維傳感器。該傳感器本質(zhì)上是一張帶有印刷電子元件的透明塑料片,有人建議用它來收集太空或行星大氣層的環(huán)境數(shù)據(jù)。 ▲美國國家航空航天局馬歇爾太空飛行中心在2014年9月向國際空間站發(fā)送了第一臺3D打印機，用于測試塑料材料
AM技術(shù)在軍隊物流與后勤支援中的應(yīng)用 位于俄克拉荷馬州廷克空軍基地、佐治亞州羅賓斯空軍基地,以及猶他州希爾空軍基地的空軍后勤支援中心,為空軍最尖端的武器系統(tǒng)——從最先進(jìn)的飛機到直升機——提供基地級大修維護(hù)、供應(yīng)鏈運作管理,甚至安裝支援。對于空中力量后勤支援使命而言,現(xiàn)在時機已經(jīng)成熟,可以直接把業(yè)界成熟的AM技術(shù)能力運用到空軍后勤物流運作的幾乎每個方面。然而,在深入探討具體例子之前,我們必須首先考慮物流和后勤支援都包含什么任務(wù)。從廣義上說,“物流”的意思是在合適的時間與合適的地點備好合適的物資,其中包括物資和人員的獲得、配送、維持和更換。國防部對“后勤支援”的定義是:供應(yīng)為維持和延長作戰(zhàn)行動所必需的物流和人員服務(wù),直到行動圓滿完成。 將來,基本物流運行也許要經(jīng)常調(diào)整方向,為前哨站點供給物資,用于直接在當(dāng)?shù)丶庸げ考鴿M足緊急需要,同時也節(jié)省時間和資金?！翱哲娢磥碜鲬?zhàn)概念”文件就描述了這樣的未來情景,其想象的做法是空投一個集裝箱的聚合物材料,讓孤立的哨所自己直接3D打印部件。在空投物資最終成功送達(dá)時,打印所需部件的文件資料也通過一個安全的太空鏈接傳送過來,打印機在幾小時之內(nèi)就能制造出關(guān)鍵的部件,而不用數(shù)天時間,在其過程中也節(jié)省數(shù)百萬美元。這種做法將為美國國防事業(yè)帶來非對稱優(yōu)勢,因此激發(fā)出有關(guān)各界對AM的極大熱情。還有許多其它例子,都設(shè)想如何利用AM來革新物流、后勤支援、采辦,和武器研發(fā)。將AM技術(shù)應(yīng)用到物流和后勤支援中,將創(chuàng)造三個機會: 可利用AM技術(shù)進(jìn)行逆向仿制,為陳舊飛機生產(chǎn)那些已無庫存的備品備件。諸如B-52轟炸機等古董飛機正在老化,經(jīng)常隨時需要更換部件,而這些部件可能幾十年前早已停產(chǎn)。三維激光測繪和其它技術(shù)可用來精確仿造現(xiàn)有的部件。 可對現(xiàn)有零部件進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)然后再制造出定型部件。俄克拉荷馬城空軍后勤綜合中心的克里斯蒂安·奧利維羅博士說:“在你即將對定型部件開始機加工之前,你還可以先打印五次塑料樣品,確保它的幾何形狀、誤差、接口都準(zhǔn)確無誤,然后才加工出最終的部件?！?span> 可用AM技術(shù)根據(jù)實地需要打印備品備件,從而減少不必要的部件購買和部件庫存。然而,要將這種新流程納入供應(yīng)基地的維護(hù)運作,需要一個實施和管理的學(xué)習(xí)過程。比如,發(fā)動機的部件更換目前是經(jīng)由購買、發(fā)送到場、登記入庫,和按需取用這樣一個流程。但未來,這些備品備件可以根據(jù)需要在戰(zhàn)地或者在維修和大修場地直接打印,因此消除了預(yù)置各種備品備件的需要。 國防部專門設(shè)立了一個維護(hù)作業(yè)增材制造(AMMO)工作組,充分表明國防部與業(yè)界合作的意愿:制定一體化的國防部綜合戰(zhàn)略愿景,推動AM技術(shù)合作的戰(zhàn)術(shù)實施,以支援國防部的全球武器系統(tǒng)維護(hù)計劃。該AMMO工作組的活動包括:制定國防部部長辦公廳指導(dǎo)性建議,選擇和排序AM技術(shù)的應(yīng)用機會,協(xié)調(diào)和規(guī)范AM制造活動,將AM納入現(xiàn)行的國防部維護(hù)過程及程序中,制定和維護(hù)《AMMO路線圖》。 國家制造科學(xué)中心作為一個非營利性私營技術(shù)發(fā)展聯(lián)合體,領(lǐng)導(dǎo)并參與各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域制造商的相關(guān)活動。 上述航空和導(dǎo)彈研發(fā)與工程中心正與科珀斯·克里斯蒂陸軍供應(yīng)基地合作,探索將激光AM技術(shù)用于對“儲存、分析、失效評定和回收”設(shè)施內(nèi)現(xiàn)存的高價值航空資產(chǎn)進(jìn)行修復(fù)、回收和再用,并分析其中的受益情況。AM技術(shù)將被用來演示對目前無法使用傳統(tǒng)制造方法加以修復(fù)的陸軍航空資產(chǎn)的維修。項目目標(biāo)包括:縮短部件更換的先期采辦時間,降低對操作與支援以及戰(zhàn)備有負(fù)面影響的成本,制定對備用部件的合格修理程序。 ▲國防部對“后勤支援”的定義是：供應(yīng)為維持和延長作戰(zhàn)行動所必需的物流和人員服務(wù)，直到行動圓滿完成
AM技術(shù)能否徹底革新采辦程序 通過高度簡化和創(chuàng)新措施縮短研發(fā)周期,接受最終的風(fēng)險,而換取采辦速度的加快,可有助于消除為保持技術(shù)優(yōu)勢而越來越沉重的擔(dān)憂。在采辦領(lǐng)域的這樣一種機敏性,可稱為“流程機敏性”。建設(shè)流程機敏性的努力,我們在采辦改革中已經(jīng)看到,其目的是把科技、采辦和需求進(jìn)行無縫融合,以改進(jìn)整體能力發(fā)展。然而,這項努力至今未見成功。美國空軍最新的重點努力中包括更多的“樞軸點”,或者說對某些項目做出改變或放棄的決定,還包括加速制造樣機的流程,目的是通過探索創(chuàng)新運作概念來推動新技術(shù)的應(yīng)用。我們可以設(shè)想,由于AM技術(shù)的實際應(yīng)用,未來的采辦流程將精簡到極致,直接將購得的3D打印機、原材料和技術(shù)文件發(fā)送到戰(zhàn)地,在現(xiàn)場打印戰(zhàn)車和其他系統(tǒng)。如果這種流程取得成功,可能徹底革新采辦速度。 在設(shè)計新系統(tǒng)的同時,我們務(wù)必要意識到,我們的對手也在進(jìn)行現(xiàn)代化,也在努力對抗我們的技術(shù),因此,預(yù)測新生威脅并規(guī)劃應(yīng)對之策必須是研發(fā)過程的一部分。為規(guī)劃及時插入新技術(shù),方法之一是使用模塊化結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)由能被快速更新的可分離部件組成。用AM技術(shù)生產(chǎn)相對簡單的自主駕駛車輛和系統(tǒng),成本較低而且有模塊化選擇,因此蘊藏著戰(zhàn)略和戰(zhàn)役上的機會,允許美軍在高度抗衡的環(huán)境中靈敏地執(zhí)行全球精確打擊任務(wù)。許多這類資產(chǎn)都采用了模塊化平臺——由傳感器、誘餌機、電磁干擾器、彈藥等組成——可產(chǎn)生致命和非致命殺傷效果。這些可以消耗的誘餌機或小型無人機提供靈活性,因為它們可以從任意組合的陸、海、空、天資產(chǎn)部署和發(fā)射。模塊化也可能吸引其他供應(yīng)商提供產(chǎn)品,從而促進(jìn)競爭,并開發(fā)多種替代方案。 雖然制定和規(guī)范任何程序的目的是把差異降到最低并允許可重復(fù)性,但有時候,程序本身變得極為復(fù)雜,致使我們迷失了最終目標(biāo)。比如,我們需要審核產(chǎn)品合格檢驗和認(rèn)證程序,從而確定是否能更迅速地利用AM技術(shù)制造出的部件和產(chǎn)品。這可能只是一小步,要根除復(fù)雜能力系統(tǒng)過長的開發(fā)時間(15~20年),還有很長的路要走。從“設(shè)定的和有限的”系統(tǒng)或組件壽命,轉(zhuǎn)變到“充分適合于”某種應(yīng)用和某段時間,這種概念上的轉(zhuǎn)變,也將有利于技術(shù)的迅速進(jìn)步。認(rèn)證程序應(yīng)該基于AM部件的功能性和關(guān)鍵性來進(jìn)行,就是說,并非所有AM部件都需要經(jīng)過嚴(yán)格的鑒定過程,我們可以為AM技術(shù)制造的許多部件設(shè)定一個能接受的風(fēng)險等級,這樣才能有效利用AM技術(shù)帶來的機敏性。和模塊化的好處相似,以AM技術(shù)制造可消耗的無人機,可快速部署戰(zhàn)場,因此有潛力縮短開發(fā)時間并節(jié)約資金,同時敢于采用新技術(shù)。采用AM迅速現(xiàn)場部署技術(shù)的另一個可行場合是衛(wèi)星發(fā)射,將有效減少發(fā)射成本,而發(fā)射成本是美國空軍太空司令部當(dāng)前面臨的一個主要問題。 這里值得一提的是,一個系統(tǒng)在研發(fā)期間,必須與早期研發(fā)過程中的發(fā)現(xiàn)緊密關(guān)聯(lián),因為如果缺少與基礎(chǔ)研究關(guān)聯(lián)而獲得的知識,就可能錯過某些技術(shù)插入機會。然而如果了解某些相關(guān)技術(shù)的成熟程度,我們就敢于在自己的采辦計劃中前瞻規(guī)劃定期的技術(shù)更新,及時納入目前正在進(jìn)行研發(fā)的這些技術(shù)。迄今得到的經(jīng)驗教訓(xùn)表明,美國政府需要把握對相關(guān)界面技術(shù)的技術(shù)控制和擁有權(quán)。 ▲通過高度簡化和創(chuàng)新措施縮短研發(fā)周期，接受最終的風(fēng)險，而換取采辦速度的加快，可有助于消除為保持技術(shù)優(yōu)勢而越來越沉重的擔(dān)憂
AM技術(shù)與國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò) AM技術(shù)正被納入國防建設(shè),與正在建立中的美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)(NNMI)同步前進(jìn)。NNMI計劃最初由奧巴馬總統(tǒng)在2012年提議,他在其2013財政年度預(yù)算中為此增撥了10億美元經(jīng)費。對NNMI的設(shè)想是:在2024財年之前,政府各部門要聯(lián)合建立總共15個制造創(chuàng)新研究所,這些政府部門包括:國防部、能源部、商務(wù)部,和農(nóng)業(yè)部。截至2015年,已成立8個研究所(國防部5個、能源部3個)。國防部的5個研究所是: ·俄亥俄州楊斯頓的AM研究所; ·伊利諾伊州芝加哥的數(shù)字化制造與設(shè)計創(chuàng)新研究所; ·密歇根州底特律的輕質(zhì)和現(xiàn)代金屬研究所; ·紐約州羅切斯特的集成光電制造研究所; ·加州圣荷西的柔性混合電子制造創(chuàng)新研究所。 能源部的3個研究所被統(tǒng)稱為“清潔能源制造創(chuàng)新研究所”,它們是: ·北卡羅萊納州羅利的下一代動力電子制造創(chuàng)新研究所; ·田納西州諾克斯維爾的先進(jìn)復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)材料制造研究所; ·加州洛杉磯的清潔能源/智能制造創(chuàng)新研究所。 另有7個新的研究所擬議在2016年成立(國防部1個、能源部2個、商務(wù)部2個、農(nóng)業(yè)部2個),累計總投入為6.08億美元。2016年由國防部資助的機構(gòu)是馬薩諸塞州劍橋市的革命性纖維與紡織制造業(yè)創(chuàng)新研究所。能源部力爭在2016年獲得2.41億美元,以維持其現(xiàn)存的4個研究所,并成立2個新研究所。農(nóng)業(yè)部請求得到8000萬美元,用于建立兩個高級生物制造和納米纖維領(lǐng)域的研究所。商務(wù)部國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所申請在2016年創(chuàng)建2個研究所,探索先前沒有被選取的制造主題領(lǐng)域。 這些國家制造創(chuàng)新研究所正在從事的研究與開發(fā),涉及許多領(lǐng)域,這部分是受軍事需求的影響。研究所的設(shè)置由政府資助,也受到由學(xué)術(shù)界、政府、產(chǎn)業(yè)界成員組成的顧問委員會支持。比如,空軍研究實驗室通過參與項目評審和技術(shù)工作組,以及通過參與機構(gòu)指示的項目,來支持這些研究所的工作。 ▲NNMI計劃最初由奧巴馬總統(tǒng)在2012年提議，他在其2013財政年度預(yù)算中為此增撥了10億美元經(jīng)費
AM技術(shù)的未來機遇和挑戰(zhàn) 打印零件目前仍然主要依靠材料的逐層堆積生成3D結(jié)構(gòu)。然而,新的技術(shù)和使用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)。AM技術(shù)將來肯定會看到提供各種應(yīng)用選擇的大量企業(yè),既有能提供高產(chǎn)工業(yè)打印機的大公司,也有專精某項獨特應(yīng)用的小型初創(chuàng)公司。在2016年,擠壓成形和選擇性激光燒結(jié)打印機的兩家龍頭制造商,即斯特塔西公司和3D系統(tǒng)公司,與惠普公司推出的新計算機輔助印刷技術(shù)和碳3D公司推出的連續(xù)液體界面生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行競爭。這些新技術(shù)的主要優(yōu)勢有,打印時間比現(xiàn)行打印機快10~100倍,并改善表面光潔度。起始原料在產(chǎn)品質(zhì)量的整體改進(jìn)中也起著不可或缺的作用。雖然丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)和聚乳酸(PLA)塑料絲狀體仍然被許多打印機廣泛使用,但可以利用的材料種類正在穩(wěn)步增多,包括專門設(shè)計的復(fù)合材料、玻璃、陶瓷及導(dǎo)電油墨。新興打印機公司和材料供應(yīng)商之間加劇的競爭促進(jìn)了AM技術(shù)的應(yīng)用,但隨著大規(guī)模采用AM技術(shù),材料的成本將始終是一個擔(dān)憂。有些討論在思考如何利用本地資源與資產(chǎn),例如使用回收材料,這種思考對于那些需要遠(yuǎn)程運送物資來打印物件的邊遠(yuǎn)地區(qū),尤其相關(guān)。天然資源,比如沙、粘土、有機物殘骸、可采收的海洋物質(zhì)等,也正被考慮用作可選材料。 3D打印出的結(jié)構(gòu)尺寸越來越大,包括中國、意大利和美國,都已在制造低成本的模塊化建筑物。這種大型結(jié)構(gòu)的逐層可調(diào)節(jié)建筑物,被比作千年古老的金字塔——不僅規(guī)模雄偉壯觀,而且含有復(fù)雜的內(nèi)部通道。雖然這些結(jié)構(gòu)的規(guī)模非常了不起,但是要使AM成為“改變游戲規(guī)則的革命性技術(shù)”,只有提高基本建筑塊體材料和打印機配置的功能性,才有希望促成最具革命性的軍事應(yīng)用。一些前期工作已經(jīng)證明,選取傳感器并置入打印結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)功能“嵌入”,是向更先進(jìn)3D打印裝置邁進(jìn)的一步。促成電子產(chǎn)品導(dǎo)熱和導(dǎo)電性的材料(例如跡線、焊料等)利用納米成分(例如銀和碳納米管)的獨特性能,正在迅速發(fā)展。配方的發(fā)展導(dǎo)致了呈現(xiàn)剪切稀化的“油墨”,可適用于能在市場買到的、使用注油筒式打印的3D打印機,也適用于由商用打印機改造的多打印頭、多材料印刷打印機。這些都是向功能性產(chǎn)品——即由單一系統(tǒng)堆積多種不同材料而制成——邁進(jìn)的重要發(fā)展。 政府部門在推進(jìn)技術(shù)方面,起著影響商業(yè)創(chuàng)新方向的作用。例如,在將下一代制造技術(shù)應(yīng)用于多域國防戰(zhàn)略方面的實例,可能包括優(yōu)化3D打印和嵌入電子部件、應(yīng)變儀和其它傳感器,將其納入氣動結(jié)構(gòu)和作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)斗裝備中,用于監(jiān)測環(huán)境、操作表現(xiàn)及磨損情況,并提供通信冗余。有些技術(shù),如為了更適合女飛行員體型結(jié)構(gòu)的座椅拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,可以根據(jù)3D打印的座椅原型來改進(jìn),結(jié)果會更舒適并減少事故。座椅、頭盔及其它裝置甚至可以為每個人量身定做,從而創(chuàng)造一個真正適合個人的飛行環(huán)境。隨著先進(jìn)材料和打印機系統(tǒng)的出現(xiàn),我們也能期望看到越來越多完全是打印出來的無人機和機器人執(zhí)行危險任務(wù)。AM紡織品領(lǐng)域的發(fā)展,有助于制造出軍用的生物監(jiān)測智能纖維織物,還可以打印按需設(shè)計的營養(yǎng),作為軍人伙食替代品。大規(guī)模打印的結(jié)構(gòu),尤其是使用本土材料,適合用于救災(zāi)和迅速建造軍營。 利用傳統(tǒng)上一直用于減材制造的軟件來制作原創(chuàng)3D打印設(shè)計,依然存在著挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在,許多公司正在努力開發(fā)真正增材性質(zhì)的軟件,即從白板一塊開始,而不是從全部填滿材料的板塊著手。隨著軟件的發(fā)展,生產(chǎn)原創(chuàng)設(shè)計需要的實際時間,會成為快速樣機制造的一個限制因素。解決方案之一是對一個相似物件進(jìn)行掃描,形成文件,然后進(jìn)行修改。或者,可以根據(jù)一個部件編號或掃描物體進(jìn)入一個儲存高分辨率文件的數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行挑選。迪斯尼公司已經(jīng)申請這樣一個“用于3D打印物體識別”的專利,即,利用一份低分辨率掃描文件,來匹配數(shù)據(jù)庫中的高分辨率復(fù)印件,并打印成物體。這種技術(shù)一旦廣泛流行,采辦過程就能被縮減到最簡單的形式,也會通過AM而變得遠(yuǎn)更靈敏而快捷。比如,可以獲取打印機,并與有關(guān)材料及文件一起投放到戰(zhàn)地,在現(xiàn)場打印需要的戰(zhàn)車和系統(tǒng)。 政府和軍方努力中的一個首要挑戰(zhàn),是有效地協(xié)調(diào)AM研發(fā)活動。日益上升的擔(dān)憂是:高度官僚性質(zhì)的國家制造研究所和有關(guān)單位之間普遍缺少共識與協(xié)作,正導(dǎo)致一種各自為陣的零敲碎打性研發(fā),造成努力重復(fù)和成本升高,也削弱AM帶來的最終利益。一種補救措施是,建議用嚴(yán)格但靈活的治理結(jié)構(gòu)形式重組所有AM活動,比如,在政府各部門設(shè)置中央AM領(lǐng)導(dǎo)人,其職責(zé)包括協(xié)調(diào)AM戰(zhàn)略和政策,并向所有計劃實施AM的各部門組織發(fā)布指導(dǎo)。具體建議由國防部部長辦公廳,尤其是其屬下的新興能力與原型設(shè)計辦公室來主導(dǎo)這項改革和制定戰(zhàn)略愿景,作為一項解決方案。因此,要想形成真正的前進(jìn)動力,需要隨著技術(shù)革新的發(fā)展步伐,及時改革AM努力的目前結(jié)構(gòu),將之推向更具前瞻性思維的態(tài)勢。我們不僅要把握并推進(jìn)本文談到的美國空軍高層戰(zhàn)略文件中描繪的愿景,我們的領(lǐng)導(dǎo)人更需要破除各種虛浮宣傳,了解并展現(xiàn)關(guān)鍵的差距,以及彌補這些差距的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如,在軍隊供應(yīng)基地層次實施AM技術(shù)方面我們目前面臨著什么挑戰(zhàn)?此外,與整個AM領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步相比,軍事應(yīng)用方面在近期可獲得哪些收益? ▲為了擴(kuò)大AM技術(shù)在軍事領(lǐng)域的戰(zhàn)略應(yīng)用，應(yīng)該充分利用種類繁多的現(xiàn)有材料、日益發(fā)展的打印機技術(shù)和既定的各種計劃，發(fā)揮這三者聯(lián)結(jié)所產(chǎn)生的合力
結(jié) 語 為了擴(kuò)大AM技術(shù)在軍事領(lǐng)域的戰(zhàn)略應(yīng)用,應(yīng)該充分利用種類繁多的現(xiàn)有材料、日益發(fā)展的打印機技術(shù)和既定的各種計劃(包括國家制造創(chuàng)新研究所),發(fā)揮這三者聯(lián)結(jié)所產(chǎn)生的合力,來實現(xiàn)全軍為長遠(yuǎn)努力而規(guī)劃的愿景。我們的目標(biāo),是隨著材料的發(fā)展(例如導(dǎo)熱/導(dǎo)電油墨)和打印能力的提升(例如多材料打印),而推動AM技術(shù)從形式向功能發(fā)展,這種努力已初見成效,例如我們已制造出嵌入式傳感器。運用AM技術(shù)盡可能提升美軍的戰(zhàn)略和戰(zhàn)役機敏性,可為決策者提供多種可行方案,來應(yīng)對國家面臨的多領(lǐng)域挑戰(zhàn)。將AM技術(shù)納入軍事應(yīng)用,對物流和后勤支援意義廣泛深遠(yuǎn),因為它能形成快速實地制造能力。AM帶來的時間和成本節(jié)約效益,有可能徹底改變國防采辦流程,并重新界定系統(tǒng)產(chǎn)品的合格鑒定和認(rèn)證過程。因此,必須大力開發(fā)AM技術(shù)應(yīng)用,把握這個機會,提升實施多元多域國防使命的機敏能力;跨出這一步,將有助于保障美國保持全面優(yōu)勢,從容應(yīng)對國家安全面臨的各種新現(xiàn)威脅。