全面解析美国新版增材制造技术路线图
美国“增材制造技术新版路线图”是由美国国家增材制造创新机构（现名“美国制造”）发布的，该路线图包括设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组5个技术焦点领域，同时在每个技术焦点领域下分别划分了子焦点领域，并按照其技术成熟度分别对每个领域2013年～2020年的发展重点进行了规划。
这些领域是该机构未来一段时期内的提升增材制造技术成熟度与制造成熟度的发展重点，也是美国政府提升增材制造产业的重要研究方向。
“国家增材制造创新机构”（NAMII）是美国国家制造创新网络的首家创新机构，由国防部牵头组建成立，负责管理该机构的是国防制造与加工中心，成员包括波音、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁门、雷神、通用动力、通用电气、穆格、3D系统公司、Stratasys公司、ExOne公司、Sciaky公司、美铝、PTC等企业、政府机构、院校、研究所和商业组织。
一、 路线图的5个技术焦点领域具体如下：
1、设计：该技术焦点领域的目标是推动所需的新的和新颖的非专利设计方法与工具的技术进步，确保文化变迁，并使增材制造零部件的设计打破与铸件或机加件类似的设计循环。
该技术焦点领域包括，提出解决思路，填补路线图缺口，避免受目前针对传统制造工艺开发的CAD/CAM/CAE/PLM工具和设计实践相关的基本极限限制。
该领域的技术焦点及相关影响分析指标包括：复杂度提升；3D功能梯度材料；多种材料的集成；基于模型的检测；产品的个性化与定制。
当前的产品设计方法是为常规制造工艺（如加工、铸造、模塑、复合材料铺层、电子表面安装等）而优化的，无法充分实现增材制造下的设计自由度，体现不出其优 势。因此，需要为增材制造零件寻找新的设计方法，全面探索这种技术的优势。领域的重点将是开发新的产品和工艺通用设计方法，让大中小企业都能采纳增材制造 技术，并且得以高效利用，实现跨供应链的快速创新。
2、材料：该技术焦点领域的目标是是围绕基准的增材制造性能表征数据，建立知识体系，消除已有（as-built）材料性能变异性。
该领域包括，从控制工艺参数和已有微观结构，向控制微尺度增材制造工艺的潜在物理过程转变，以获得一致的、可复制的微观结构及预设的性能。
该领域需要开发的技术重点及相关影响分析指标包括：标准化的原料材料；基准的材料特性数据；工艺-特性-结构相互关系；操作范围边界定义；后处理指南与规范。
当前的增材制造工艺和产品零件性能是以一种特定的方式表征的，导致相关数据集不一致、不完整，性能大范围波动、变化不定。因此，需要将相关规范标准化，减少原材料的性能波动；同时，建立更严格的工艺方法和操作指南，更好地实现对增材制造工艺的物理学控制，以完全实现设计的微结构，减少成品材料性能的波动。领域的重点将是开发开源的原材料规范，适应各种机床；开发标准化的后处理指南，比如金属零件的热处理和热等静压，以减少性能波动。
3、工艺：该技术焦点领域的目标是推动技术进步，提高大型增材制造设备的加工速度、加工精度及分辨能力，提高增材制造零部件质量。
该领域关注使增材制造“机器级”工艺性能改进所需的关键技术及相关子系统（类似于机床柔性制造系统），如多轴、多功率激光数控子系统，过程温度梯度控制子系统，连续式设备等。
该领域改进的重点和相关的影响分析指标包括：加工速度；精确度；具体性能；表面质量；最大零部件尺寸。
当前的增材制造工艺能力存在局限，让很多零件没法在满足经济性的条件下实现批量生产，而且经常需要进行二次后处理，才能达到常规生产方法下的零件特征。因 此，需要在许多“机床级”技术方面进行提升，让增材制造从一个主要用于制作快速原型的技术变为一个生产型技术。领域的重点将是开发一系列技术，加速并优化 材料的沉积、熔化/烧结/挤压和凝固过程，并且对这些过程进行物理学控制，以提升工艺能力。
4、价值链：该技术焦点领域的目标是推动技术进步，确保增材制造生产的产品在入市时间及端到端价值链成本有阶跃式改进。该领域包括快速取得资格/认证方法，以及全面关注产品全生命周期（包括材料和产品的回收再用等）的集成技术。已经确定，该技术焦点有助于基于创建一条集成的数字线，来确定先进制造企业技术投资的优先级；有助于确定劳动力技能需求及使能技术，如设计助手及应用程序，以提高生产能力；该技术领域强调需要新的和新颖的快速设计和检验技术。
该领域的技术重点和相关影响分析指标包括：加工成本；原材料成本；质量控制成本；劳动生产力成本；能源效率成本。
当前的增材制造技术开发工作面向的是价值链上和产品寿命周期中的单个元素，而且开发采用分段的方式，没有使用一种整体的、系统集成的方法来降低成本、缩短周期。因此，需要开发一系列使能技术，更好地将增材制造价值链和产品寿命周期所有元素集成到一起。而且，要认识到随着更复杂的三维梯度材料和多种材料部件的开发，设计和检测将会成为新的瓶颈。领域的重点将是面向整个寿命周期和价值链，开发和集成经济可承受的增材制造技术，降低增材制造零件的总成本，缩短上市时间。
5、增材制造基因组：该技术焦点领域的目的是推动技术进步，确保大幅减少增材制造新材料设计、开发和取得资格所需的时间和成本。该领域包括开发新的和新颖的计算方法，如基于物理及模型辅助的材料性能预测工具；开发对计算机预测进行验证所需的通用基准数据，以及针对材料性能表征的新思路，有助于为每一个新的增材制造材料-工艺组合打破开发设计循环。
该领域的技术重点和相关影响分析指标与美国国家材料基因组计划类似，包括：计算机辅助材料开发；模块化开放式仿真框架；可公开访问的材料特性数据；多尺度的数据管理和共享；有效的材料性能表征方法。
当前的材料开发、表征与合格鉴定方法大都是基于经验的和按属性连续进行的，这样就造成开发和鉴定新增材制造材料与工艺需要一定的成本、时间和风险，阻碍了大规模的技术推广与植入。因此，需要开发新的基于计算的范本，以基因组移动染色体的方式，进行产品和工艺的并行开发，从根本上促进新材料发现、开发和合格鉴定，降低成本并且缩短周期。领域的重点将复制美国早前推出的“国家材料基因组计划”，让新增材制造材料开发和鉴定的时间和成本都减少一半。
二、子焦点领域具体如下：
设计——包括仿生设计与制造、成本和能源动因分析/建模、产品和工艺设计助手/应用3个子领域；
材料——包括非专利的增材制造技术数据包、材料性能表征、下一代材料3个子领域；
工艺——包括多材料输送和沉积系统、下一代加工设备、工艺温度梯度控制3个子领域；
价值链——包括先进传感与检测方法、数字线集成、智能加工控制方法、快速检测方法、修复技术、标准/架构/协议6个子领域；
增材制造基因组——包括基准验证应用案例、模型辅助性能预测、基于物理的建模与仿真3个子领域。
国家增材制造创新机构高层认为新版指南发布将对美国增材制造技术发展普及产生重要影响。机构运营主任、洛克希德·马丁公司先进制造系统与原型部前高级经理Rob Gorham表示：“通过这份指南的配套资金，以及空军研究实验室新近启动的项目招标，该机构将马上获得超过6800万美元的国有和私有资金，能够提升美国增材制造的水平。”机构负责技术发展的副主任、国防制造与加工中心项目主管John Wilczynski也表示：“项目指南兑现了该机构提升增材制造关键技术成熟度的承诺，必将进一步促进成员之间的知识聚集，从而大幅提升美国的增材制造产业。”
美国防务分析研究所曾提出增材制造技术的发展应该在过程改进、速度提升、质量控制和材料发掘这4个方向上进行努力。此次新版项目指南提出的5个领域，聚焦了增材制造的设计、材料、工艺、合格鉴定/认证以及基于知识的开发，完全涵盖了上述4个方向，并且已经跳出了制造，开始考虑颠覆当前产品设计以及改变传统设计流程上来。而且，领域目标的完成以及随之而来的增材制造的技术成熟度和制造成熟度的提升，必将大幅提升美国增材制造的创新能力和工业基础。美国军工企业必将从中收益，将更多低成本高效率的增材制造技术应用于产品研制和生产，从而加速美国军工产品设计制造流程的变革。
