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全面解析美国NAMII新版增材制造项目指南

2015-09-17 10:48
雷本祖
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  2015年2月27日,美国国家增材制造创新机构(现名“美国制造”)发布了新版增材制造应用研究与开发项目指南。指南重点关注5个技术领域,分别是增材制造设计、增材制造材料、增材制造工艺、增材制造价值链、增材制造基因组。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。

  NAMII浓厚的国防背景

  “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。

  美国国防部在该机构中担当了重要角色,其创始主任、主任、技术发展副主任都由国防制造与加工中心高层兼任。机构下设的技术咨询委员会也主要由来自国防部长办公室等部门的政府技术官员组成,在技术路线、战略愿景、项目选择和评审、教育与人才开发等方面提供建议。项目指南依托的增材制造技术路线图就是技术咨询委员会牵头各成员制订的。因此,“美国制造”提出的项目方向,都具有深刻的国防背景。

  指南面向增材制造技术与制造

  成熟度提升

  此次发布的新版项目指南是该机构首次依托增材制造技术路线图制订的,因此指南中直接按照路线图提出了5个影响最显著的技术领域,分别是增材制造设计、增材制造材料、增材制造工艺、增材制造价值链、增材制造基因组。按照机构的使命,这些领域的目标都是要提升增材制造的技术成熟度和制造成熟度。每个领域的目标、现状和重点分析如下:

  增材制造设计

  该领域的发展目标是在新的通用设计方法和工具方面实现技术提升,在增材制造零件上打破传统的设计路线,使设计文化发生变革。针对机构制定的技术路线图中各节点设定的水平,提出缩小差距的解决方案,避免受当前常规制造工艺中CAD/CAM/CAE/PLM工具和设计经验局限的约束。

  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。

  增材制造材料

  该领域的目标是围绕增材制造性能表征数据基准,构建知识体系,消除成品材料性能的波动。也就是构建一个范本,以微尺度层面上对增材制造工艺的物理学控制,代替现有的工艺参数和成品微结构控制,完全按照设计实现一致的、可重复的产品微结构和性能。

  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。

  增材制造工艺

  该领域的目标是提升增材制造机床的速度、精度和细节分辨率,并且能够适应更大批量的生产,同时提升产品零件质量。这就需要开发 “机床级”增材制造工艺性能提升所需的关键技术和相关子系统,与柔性制造系统相类似。这些技术和子系统包括诸如多轴、多功率激光数控子系统,工艺温度梯度控制子系统,以及连续式生产设备等。

  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。

  增材制造价值链

  该领域的目标是逐渐降低端到端价值链成本,缩短增材制造产品的上市时间。研究包括快速合格鉴定/认证方法,以及从全盘角度,在整个产品(从摇篮到摇篮)寿命周期中集成相关技术。这些技术已经在国防部制造技术计划的先进制造企业投资科目中被确认为构建单一集成数字线的首要重点,它们可以帮助确定工人所需技能,比如提升生产率的设计辅助手段和计算机程序。这些技术还能够凸显面向快速设计与检测的新技术需求。

  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。

  增材制造基因组

  该领域的目标是针对用于增材制造的新材料设计、开发与合格鉴定,逐渐降低其成本、缩短其时间。这包括开发新计算方法,比如基于物理的、模型辅助的材料性能预测工具;开发验证计算预测方法所需的通用基准数据集;针对增材制造的每个新材料-工艺组合,开发材料性能表征的新概念,打破设计容许值的传统开发路线。

  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。

  新版指南使美国增材制造技术

  大受裨益

  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。

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