先进制造前沿核心技术(美借助AM Forward和NSAM推进增材制造产业化，占领先进制造高地)

继拜登政府2022年5月发起“增材制造前沿（AMForward）”计划之后，白宫科技政策办公室（OSTP）10月又公布了最新版的《先进制造业国家战略（NSAM）》，新版NSAM首次大篇幅提及增材制造，并详细列出了美国政府对增材制造的期许及其对美国制造业将发挥的作用。除了发布国家层面的战略和计划，美国还着手完善相关技术链条并通过盟友合作加速解决目前面临的产业化壁垒。美国的增材制造技术本就走在世界前沿，并已在大型工业制造中崭露头角。如今拜登政府密切关注增材制造领域，欲通过一系列布局改变增材制造及相关产业的竞争格局，增强美国的经济竞争力，加速其对华脱钩进程并增加对华博弈筹码，中国应提高警惕。

一、持续推进AMForward计划并不断开发政策工具

（一）利用AMForward促进上下游企业供应链内合作

AMForward计划公布通用航空、霍尼韦尔、洛克希德?马丁、雷神科技和西门子能源5家初始成员以来，2022年8月，波音和诺斯罗普·格鲁曼正式加入该计划，至此美国军工复合体代表企业全部纳入阵营。这些企业将以中小型供应商为目标积极采购利用增材制造技术生产的产品，并提供技术援助、工人培训、资格认证指导等，将极大调动中小企业采用增材制造技术的积极性。美国中小制造商广泛和先进的生产与后处理能力将反过来保证大型企业的供应安全（如交货时间缩短、材料和能源成本降低等），形成弹性和创新供应链。

为进一步促进公私伙伴关系，在供应链参与者之间建立信任，美国应用科学与技术研究组织（ASTROAmerica）作为AMForward计划的召集人和统筹实施者在其中扮演着重要角色。其近期便积极主持增材制造投资机会的相关讨论，为上下游企业、中间市场参与者等提供沟通平台，有效匹配需求和投入。此外，其还与康涅狄格州先进技术中心（CCAT）等地区专业研究机构合作，为采用增材制造的中小企业提供现场评估，以满足AMForward最终用户和承诺合作伙伴制定的标准，进一步提高上下游企业的适配度。

尽管AMForward计划的可行性很高且前景较为乐观，但美国仍需要迫切解决的是材料、技术原理、理论创新等方面的突破，国家层面的战略指导因此变得尤为重要，《先进制造业国家战略》便是在此背景下应运而生。

（二）推出NSAM，促进工艺优化和与智能制造平台相融合

自美国2012年首次推出《先进制造业国家战略》以来，2022年10月是对该战略的第二次更新，增材制造也被赋予了越来越重要的地位，认为其是开发和应用先进制造材料和技术的关键，并为促进增材制造发展提出针对性建议：（1）开发所有用户均可访问的增材制造工艺优化框架；（2）创建新传感器，以提高过程监视和控制能力；（3）开发机器学习算法来分析大型、安全、互操作的数据流并实现反馈控制；（4）开发工具，以创造新的增材制造专用材料和能力；（5）将增材制造技术与智能制造平台相结合。其中（1）和（5）为首次提及，因此也成为美国当前关注的重点。

目前，尽管增材制造已经彻底改变了原型和小批量生产，但仍需改进工艺来进一步释放潜力，开发一个广泛适用的工艺优化框架刻不容缓。而零部件鉴定作为工艺验证的重头戏以及推动工艺优化的重要支撑，不仅费时费力，而且占生产成本的50%以上，将成为首先推动的步骤。美国的研究机构和大学等已经在推动增材制造零部件快速鉴定方面做了一些准备，如近期美国国家科学基金会（NSF）便向南方大学、路易斯安那州立大学和奥本大学开展的一项新研究项目授予400万美元NSFEPSCoR奖金支持，旨在制定一个基于工艺-结构-特性（PSP）数据库和无损检测的增材制造零部件快速鉴定框架，对3D打印关键组件或产品进行评估，推动增材制造工艺不断优化。

增材制造是促进传统工厂向智能制造平台转变的关键技术之一，同时将增材制造与智能制造平台充分结合将有助于提高前者的采用成熟度，并逐渐使其成为智能制造生态系统的一部分。而要将增材制造成功集成到智能工厂仍面临如连通性、自动化、可追溯性和安全性等方面的挑战。为解决以上问题，美国一方面将推动重点领域的技术创新和人才培养，包括工业物联网、人工智能和机器学习算法、射频识别、即插即用机床和控制器等；另一方面将为关键部门构建“数字供应链高速公路”愿景，旨在实现从原材料到最终产品出货，以及材料回收再利用全生命周期可追溯，确保整个供应链的透明度和问责制，并有的放矢改进行业规范和标准。美国商务部国家标准与技术研究院（NIST）将为以上举措的顺利推进提供助力，如其正在领导一项增材制造数据集成和管理计划以提高零部件可追溯性并为产品开发决策提供支持等，相关研究成果将提供给增材制造标准化协作组织（AMSC），以填补与数据相关的增材制造标准空白。

二、聚焦重点应用领域完善技术链条并推动产业化进程

（一）突破材料、技术创新限制，开发应用潜力

美国认为增材制造需要突破多材料复合、打印效率、部件耐用性等技术难点，而持续提升其在该领域的工艺/技术水平，可以实现增材制造与航空航天、汽车等关键制造业的有机结合。为此联邦政府与高校院所等各司其职、相互协作，在各个环节贡献力量。

AMForward计划发起之后，美国能源部便就30个研发项目拨款5,790万美元，帮助美国工业部门脱碳，其中先进材料制造领域入选项目有14件，共计拨款24,599,628美元。通过梳理增材制造相关项目（附件：表1）发现，除航空航天外，美国希望增材制造技术可以在汽车领域发挥优势。鼓励科研机构和企业开发新的材料、工艺等，实现驱动系统、车身等部件的轻量化。值得注意的是此次能源部为锂电相关增材制造项目拨款，该项目旨在提高电极性能和电池寿命；不久之后能源部又为另一用于锂电的新型增材制造工艺研发拨款，旨在生产充电更快、储存更多电力的锂离子电池。由此可见，美国计划通过增材制造优化汽车和动力电池生产，提高供应链弹性以及产业竞争力。

科研院所则是遵循NSAM的指导原则制定其研发路线，并积极开拓航空航天、军工以外的应用前景。2022年11月初，美国麻省理工开发出一种新热处理方法，该方法可改变增材制造金属的微观结构，让材料在极热环境中更加坚固、具有弹性，为今后制造发动机高性能叶片增添可行性。而斯坦福大学新开发的iCLIP技术则大大提高了打印速度和特征分辨率，将树脂3D打印的速度提高了10倍，并且支持多树脂和高粘度树脂打印，有利于解决速度和多材料方面的局限性。不仅如此，斯坦福大学还开发了新的纳米级打印材料，打印速度达到每秒100毫米，约为纳米蛋白质打印速度的100倍，吸收能量密度也是其他同类材料的2倍，可为卫星、无人机和微电子产品提供更好的结构保护。此外，美国国家标准与技术研究所（NIST）携手威斯康星大学和阿贡国家实验室研发了可用于增材制造的17-4PH（沉淀硬化）不锈钢成分，其保持了与传统制造特性相匹配的强度和耐用性，可应用在飞机、货船、核电站等关键领域。

（二）联合盟友打造工业中心/平台以实现快速产业化

美国希望增材制造技术为其制造业赋能，利用该技术在原型设计、材料开发等方面的优势弥补美国在生产制造环节的短板，通过驱动分布式制造来缓解其供应链风险。而要快速有效地实现上述目标，与盟国间的合作必不可少。

GE是全球最大的增材制造技术使用者，旗下子公司GEAdditive将在德国慕尼黑建立首个“客户体验中心”，加速增材制造的应用。而GEAerospace与印度泰米尔纳德邦工业发展有限公司（TIDCO）合作在金奈建造了泰米尔纳德邦先进制造卓越中心（TAMCoE），该中心重点关注与航空发动机零部件及汽车和医疗行业相关的增材制造技术。波音是推动美国增材制造技术与应用发展的践行者，其与以色列3D打印公司Assembrix合作多年。双方早年曾就增材制造知识产权进行过合作，2022年10月双方再次签署合作协议，致力于开发一个能够实现零件3D打印生产的平台，希望利用该平台继续为军民两用飞机、火箭发射器、空间站等制造部件。

除联合盟友打造增材制造工业中心/平台之外，美国还不忘利用该技术推动其他前沿领域的突破。以固态电池为例，美国3D打印固态电池开发商Sakuu公司于2022年9月与日本特殊陶业（NGK）签订了合作备忘录。双方将共同开发用于固态电解质膜的陶瓷材料，Sakuu计划2023年推出高性能3D打印固态电池并实现规模化生产。固态电池因制造困难等迟迟未真正投入商业化，3D打印技术的突破有望解决固态电池安全性、续航、可持续性等问题，美国或借此打破未来产业格局。

三、影响和建议

中国在增材制造原创设计、产业化以及标准制定方面均起步较晚，且在材料和核心技术上存在不同程度的对外依赖，而美国在该领域对华脱钩的程度正在逐渐加深，如近期美国商务部便以损害国家安全为由对三家将3D打印外包给中国的美国公司发起制裁。未来若美国继续联合盟国在增材制造材料、器件、标准等方面对华设限，势必严重阻碍中国该领域的研发以及产业化进程，同时也将掣肘该技术重点应用领域的升级发展，如航空航天、医疗器械、汽车、核心装备等。针对以上情况，应从以下几方面着手改进：

首先，推动创新链、产业链、人才链、资金链协同发展，完善增材制造生态系统。在社会和国家层面鼓励技术自由创新发展，解决材料、技术原理、理论创新等共性问题，加大在核心元器件（如打印头、激光器、扫描振镜等）以及商业化工业软件等方面的研发力度，重点提高品质和可靠性；借鉴美国模式，打造公私合作伙伴关系，降低中小企业的技术准入门槛，推动大中小企业融合发展，增强产业链上下游配套能力建设；发展多元化的科学、技术、工程、数学人才体系，增加人才储备；摈弃创投保守和短期投资的观念，鼓励长期投资和吸引民间资本，构建支持增材制造和相关产业发展的良好投资环境。

其次，注重标准体系建设，细化技术、产业标准化规则。中国目前虽已发布了《增材制造标准领航行动计划（2020—2022年）》，但基本上是航空行业标准，且推动力度仍有待加强。应推动标准走向具体化、实用化，可参照美国做法，其不仅发布了《增材制造标准化路线图》，同时还发布了《增材制造标准化路线图差距进展报告》，注重厘清标准落实差距；此外，打通中国增材制造标准委员会等标准制定机构与产业界的沟通渠道，有效保障标准真正为企业服务。

最后，积极争取国际合作。目前德国、法国等欧洲增材制造强国较为看重中国市场潜力，有意愿将其新技术推广到中国，企业、高校、科研院所之间均有一些交流合作在推动，如成立有中德3D打印协会，第一届中法增材制造高端论坛也于近日顺利召开。中国应充分利用自身市场和制造业优势，在技术交流中不断促进自身创新与规范水平与国际接轨。

表1-2022年6月美国能源部重点支持的增材制造相关项目

项目名称

负责单位

合作伙伴

金额（美元）

能源系统用高分辨率SiC纤维复合材料部件的增材制造工艺

通用增材制造

橡树岭国家实验室、通用电气研究

1,968,825

使用新型Al-Ce-Ni基合金打印轻质航空航天部件

波音研究与技术

VolunteerAerospace、艾克工业、Beehive3D、田纳西大学、Knoxville、橡树岭国家实验室

1,888,305

用于制造轻量级汽车部件的低成本模具技术

克莱门森大学

本田美国发展与制造、俄亥俄州立大学、AdditiveEngineeringSolutions

4,000,000

使用环烯烃树脂复合材料开发用于汽车轻量化的耐用型直接增材制造模具

PolySpectra

国家可再生能源实验室、橡树岭国家实验室、MPISystems、3DFortify、RePliForm

3,000,000

高温航空航天结构用耐用铝-铈合金的固态增材制造

北德克萨斯大学

艾克工业

1,191,785

轻质汽车车身板成型用改进型模具材料的粉末加工（包括增材制造和热喷涂）

埃姆斯国家实验室

桑迪亚国家实验室、福特汽车、RetechSystem

2,000,000

结构电极锂离子电池的超声声场辅助增材制造：可靠性表征和规模化生产

华盛顿大学

橡树岭国家实验室、加州大学

1,205,000

下一代热交换器用超高温材料加工科学的整体方法（通过开展增材制造项目）

橡树岭国家实验室

西门子、北卡罗来纳州立大学、阿勒格尼技术

2,000,000