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美国3D打印创新中心发展进程概览

2017-04-06 09:11
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作为新一轮科技革命和产业变革中的代表性和颠覆性技术,3D打印(学术称为“增材制造”)的发展受到世界各国的重视。美国政府作为全球3D打印的主要推动者,自2012年设立3D打印创新中心以来,开展了大量的工作,推动了美国3D打印技术及相关产业的发展。2016年2月,美国发布了《国家制造创新网络计划:战略规划》和《国家制造创新网络计划:年度报告》。本文对3D打印创新中心3年以来取得的成绩进行了着重的介绍。借鉴和学习美国创建3D打印创新中心的经验教训,对于我国国家制造业创新中心的设立将具有重要意义。

一、美国制造创新网络战略规划

2016年2月,美国商务部部长普利兹克、总统行政办公室、国家科学与技术委员会、先进制造国家项目办公室联合向国会提交了《国家制造创新网络计划:战略规划》,列出了该计划的战略目标。总体来说就是将人、创意和技术相连接,来应对美国工业相关的先进制造业面临的挑战,从而增强工业竞争力,促进经济增长,强化国家安全,未来远景实现美国引领全球的先进制造。具体来说可以分为4个方面,包括提升竞争力、促进技术转化、加速制造劳动力、确保稳定和可持续的基础结构。

首先,提升美国制造的竞争力。通过培植美国在先进制造研究、创新和技术开发与部署中的领导地位,使美国生产的货品增加,提升本土制造业的竞争力。实现这一首要目标将加强美国制造商在本土和全球市场销售货品的能力。2个子目标分别为支持生产更多的美国本土制造产品;以及培育美国在先进制造研究、创新和技术方面的领导地位。

其次,促进创新技术向规模化、经济和高绩效的本土制造能力的转化。填补新兴技术在规模化、经济和高绩效制造部署之间的空白,该战略计划使本土制造商克服技术和经济上的障碍。该目标总体意图是,通过建立包含充足资源和聚焦工业市场的创新生态系统,减少对创新成果发展的阻碍。制造创新机构将帮助工业界克服先进制造技术的复杂性所造成的障碍。3个子目标分别为让美国制造商能够使用经验证明制造能力和资本密集型基础设施;促进用于解决先进制造挑战的最佳实践的共享与书面化;以及促进支持美国先进制造的标准与服务的发展。

再次,加速先进制造劳动力的发展。一个健康的制造业环境包括劳动力发展、提升的工作机会以及使美国工人工资增加的经济机遇。这一目标确定了该战略计划将如何加速发展先进制造劳动力,包括技师、高技能生产工人、制造工程师、科学家和实验室人员。5个子目标分别为科学、技术、工程和数学相关领域培养未来工人;支持、扩展和交流相关的中等和高等教育途径;包括资格鉴定与认证,支持州立、地方教育和培训的课程体系与先进制造技能组合要求的协调;高级知识工人:研究人员和工程师;以及确认下一代工人所需的能力。

最后,支持帮助制造创新机构稳定、可持续发展的商业模式。为最好地支持一个可生存、可持续的美国创新生态系统,每家机构都必须制定一个可持续的业务模式,向其会员带来实际效益。一家机构必须从其会员及其他渠道获取充足的支持,以独立于初期的联邦支持而存在,也就是说要形成一个由客户以及专注于机构技术领域和工业界、学术界及政府合作伙伴所组成的健康的生态系统。机构共同努力追求这一目标,才能够建立一个稳定和可持续的网络,使国家层面广泛受益。

二、美国3D打印中心年度报告

1.总体发展情况

相关部门在向国会提交《国家制造创新网络计划:战略规划》的同时,首份《国家制造创新网络计划:年度报告》也同步提交,对战略规划的落实情况进行了详细的介绍。在该战略规划执行3年多的时间内,共计成立了7家国家制造创新中心,3D打印创新中心作为最早成立的创新中心,成为了年度报告中的介绍重点。

奥巴马是美国历史上第1位把鼓励自主创新作为国家政策的总统,其上台以来,先后制定出台一系列计划和政策,从国家战略层面提出加快创新、促进美国先进制造业发展措施。2012年2月,美国国家科技委员会发布《先进制造业国家战略计划》,正式将先进制造业提升为国家战略。1个月后,奥巴马宣布实施投资10亿美元的“国家制造业创新网络”计划(NNMI),遴选出制造领域15项具有广阔应用价值的前沿性、前瞻性的制造技术,并建立制造业创新中心,全面提升美国制造业竞争力。同年4月,3D打印被确定为首个制造业创新中心;8月,“国家3D打印创新中心”(National Additive Manufacturing Innovation Institute,NAMII)在俄亥俄州小城扬斯顿市剪彩成立;10月,创新中心正式开始运行,由非营利性机构国家国防制造与加工中心(National Center for Defense Manufacturing and Machining, NCDMM)领导。中心得到高达1.1亿美元的经费支持,其中5 500万美元来自于联邦政府(美国能源部 1 000万美元,商务部国家标准与技术研究院500万美元,国家自然科学基金会,以及美国国家航空航天局),另外5 500万美元来自于非政府机构(在5年内计划投入资金)。

2.构建3D打印生态链

在经过3年多的发展之后,美国3D打印创新中心不仅聚集了生态系统中的不同要素,还建立了流程,使之成为一个可持续的生态系统(见图1)。这些流程使得参与的相关机构,如工业界、学术界、政府和其他组织获得收益,从而激励他们不断地参与中心的活动,并吸引新组织,加入和投资到生态系统当中。

图1. 美国3D打印创新中心生态流程图

科学和技术的发展板块由3D打印创新中心的会员和相关的政府机构(包括美国商务部、国防部、能源部、宇航局和自然科学基金)组成。通过开设技术路线图研讨会来确定3D打印研发需求的优先级。然后,3D打印创新中心和其会员一同工作,构建团队、进行投资、管理研发资料、分享数据、加速获得知识产权。会员形成集成项目团队来进行研究,构建供应链,来实现技术到产品的成果转化。这将提升美国制造业竞争力,推动美国工业实现制造业领域的主导,这成为科技、经济和国防主导的先决条件。同时,劳动力教育板块由3D打印创新中心的会员和相关政府机构(美国商务部、教育部和劳动部)组成,来建立劳动力培养的优先级。3D打印创新中心及其会员一起创建了劳动力发展计划路线图,明确所需的工作技能,并开发相关课程来匹配这些需求。中心会员提供的这些课程,为3D打印行业培养了具有专业技能的员工。

3.技术进步

3D打印创新中心牵头构建了先进3D打印技术的工业驱动战略路线图。该战略强调聚焦美国技术领军地位关键技术的竞争力,及相关的缺口和机遇。这包括构建设计工具、新型材料开发、下一代多材料打印设备研制以及可降低制造变化性的先进工艺控制。为了完成这些技术进步,通过频繁的搭建集成项目团队,来形成行业供应链。这其中包括技术开发商、材料和组件供应商、装备制造商和大型系统集成商。集成项目团队可形成牢固的商业关系,贯穿早期的项目技术开发,到项目结束面对实际应用及市场机遇。这种团队结构使得技术在转化为产品的过程中,供应链各层级所有单位的需求都能被了解。一个很好的例子是由诺斯洛普·格鲁门公司领导的,和其合作伙伴小型部件生产商牛津性能材料公司一起完成的可以用于航空航天飞行器的高性能聚合物材料。这个项目成功的开发传播了首个可广泛应用的任意高分子3D材料设计数据库,并和工业界分享其核心设计指南,演示了原材料回收使用的功能,从而大大降低生产成本。3D打印创新中心已经设立了31个工业驱动研发项目,如果再加上其他渠道的3D打印项目,总数达到58个。

4.劳动力培养

3D打印创新中心(以下简称“中心”)和其他一些机构合作共同开发和举办了很多劳动力的培训活动并与德勤咨询一起进行3h的线上3D打印业务基本培训,目前,已有超过1万人参加。同时,该中心与密尔沃基工程和社会学院的制造工程师们一起开设了首个3D打印和增材制造培训项目。截至2015年中,学院已经颁发了超过150个专业证书。中心与工业界合作,为1 000所中学捐赠了3D打印机,来支撑科学、技术、工程和数学(STEM)教育计划。3D打印创新中心仍在继续的推动路线图的发展,来发展未来3D打印劳动力所需的教育和培训项目。

5.可持续发展

3D打印创新中心的生态系统发展十分成功。其中的一个佐证就是创新中心会员数量的增长,涉及领域的拓展会员,以及创新中心提供服务质量的提升。目前,创新中心已具有会员单位179家,年增长率达到40%。其中,政府合作伙伴9家,白金会员19家,黄金会员53家,白金会员98家。涵盖了横跨全美3D打印全产业链主要的大型企业、中小型企业、高校、经济发展组织、国家实验室和政府机构。这些会员单位为创新中心缴纳年费,白金会员20万美元,黄金会员5万美元,以及白银会员1.5万美元。

作为3D打印创新中心的会员,小型企业从中获益匪浅。创新中心为小型企业的创新活动和大型企业的需求构建了一个联通的渠道。例如,通过和创新中心的其他成员合作,俄亥俄州雅芳湖的一个小型企业获得了重要的AS9100C认证,这使得该公司可以进入到高技术的供应链。公司可以为多个大公司,诸如洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼公司、通用航空和波音公司等进行供货。小型企业Optomec牵头的一个项目团队,通过嵌入设计模块开发出混合打印系统(可以进行增材和减材制造)。这可以改造任何计算机数控机床,升级使其具有3D打印的能力。对比采购一个新系统来说,这个项目的成功开发使得设备商店可将3D打印能力并入到传统设备当中,使得成本下降40%。Steelville Manufacturing公司为市场提供3D打印工具,成为了波音公司航空组件制造供应商。该公司获得了市场准入,得益于3D打印创新中心的第一个技术开发项目——密苏里科技大学牵头的“基于熔融沉积工艺的复杂复材模具制备sparse函数建模”项目。目前,已经有大约50个小型企业加入到创新中心当中,这些小型企业的年保留率高达88%。

认识到3D打印创新中心的国有性,促进3D打印制造技术发展的机构之后,联邦政府的相关机构开始和创新中心合作,来攻克所需的技术,以及战略路线图中的研发工作。相关的项目资料加入到分享目录中,形成资料池,提供给不同的公私相关单位,完成重要的技术目标。

6.创新生态系统的发展

创新中心的会员们展示了其直接投入的重要性,它们提供的人力对中心生态系统的创新和运营起到重要作用。例如,Raytheon公司贡献出一位3D打印的专家,她的一半时间在创新中心工作,作为路线图咨询委员会的主席和3D打印创新执行委员会的成员。美国机械工程师协会贡献出一位资深专家,指派到3D打印创新中心的劳动力教育和推广效果部门。德勤咨询贡献了其雇员,来帮助创新中心发展技术商业化流程,并评估创新中心对经济的影响性。

创新中心在私营公司投资方面也取得了重大的进展。Alcoa在新泽西投资了6 000万英镑建设了研发中心。它将包括最先进的3D打印中心,聚焦于原材料供给、工艺、产品设计和检测认证。该投资将推动先进的主流3D打印金属粉末的发展。通用电气公司投入了3 200万英镑在比斯堡建设了先进的3D打印工厂。该中心将帮助它们的业务部门开发3D打印以及其他创新技术。在国家层面,几个大型的企业会员都声明,它们的内部研发投资将和3D打印创新中心的技术投资路线图保持一致。2015年,创新中心在Texas大学开设了一个卫星点,这将实现创新中心的全功能运营。其中包括技术开发、技术转移、劳动力教育和培训。

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