美国增材制造技术路线图

董垚

      

      路线图包括设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组5个领域：
      设计。包含3个子方向：生物启发设计与制造，产品与工艺设计辅助手段/程序，成本与能耗因素分析/建模。旨在开发可共享的设计方法与工具，变革设计理念，使增材制造零件设计打破固有流程。设计领域要提出填补差距的解决方案，避免受到当前CAD/CAM/CAE/PLM工具和设计思维的约束，它们是为常规制造工艺开发的，因此从根本上存在局限。领域关注点和相关影响分析指标包括：复杂度开发，3D功能梯度材料，多材料集成，基于模型的检测，产品个性化与定制化。
       材料。包含3个子方向：“非特定”增材制造技术包，材料性能表征，下一代材料。旨在围绕增材制造性能表征基准，构建知识体系，消除成品材料性能的波动。材料领域要构建一个范本，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。领域关注点和相关影响分析指标包括：标准化的原材料，基准材料性能数据，“工艺-性能-结构”关系，工艺窗口边界定义，后处理指南与规范。
       工艺。包含3个子方向：多材料输送与沉积系统，下一代机床，工艺温度梯度控制。旨在提升增材制造机床的速度、精度和细节分辨率，并且适应大批量生产，提高成品零件质量。工艺领域要开发“机床级”工艺性能提升所需的关键技术和相关子系统，类似于柔性制造系统。领域关注点和相关影响分析指标包括：制造速度，精度，细节制造能力，表面质量，最大零件尺寸。
       价值链。包含6个子方向：先进感知与探测手段，数字线集成，智能机床控制方法，快速检测技术，修理技术，标准/模式/协议。旨在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。价值链领域要开发快速合格鉴定/认证方法，以及从全盘角度，在整个产品寿命周期中集成相关技术，包括材料和产品可回收性。这一领域已经在国防部ManTech计划先进制造企业（AME）投资科目中被确认为构建单一集成数字线的首要关注点，可以帮助确认所需的工人技能和使能手段，以及凸显面向快速设计与检测的新技术需求，比如提高生产率的设计辅助手段和计算机程序。领域关注点和相关影响分析指标包括：工艺成本，原材料成本，质量控制成本，工人生产率成本，能量效率成本。
      增材制造基因组。包含3个子方向：基准验证用户案例，模型辅助的性能预测，基于物理学的建模与仿真。旨在逐渐减少增材制造新材料设计、开发与合格鉴定所需的成本和时间。基因组领域要开发新的计算方法，比如基于物理学的和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。领域关注点和相关影响分析指标与美国国家材料基因组计划相似，包括：计算机辅助材料开发，模块化开放式仿真架构，访问透明化的材料性能数据，多尺度数据管理和共享，高效的材料性能表征方法。