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本文由电科防务研究（ID:CETC-ETDR)授权转载，作者： 陈佳
国外主要国家相关研发政策、投资情况 1、美国 从国家和国防层面颁布制造技术相关规划 在国家层面，2011年总统科技咨询委员会发布《确保美国在先进制造业的领先地位》并启动了跨政府工业界和学术界的“总统先进制造合作伙伴关系”计划： 2012年奥巴马国情咨文强调制造业对于国家经济和国防的重要性要求提高制造业就业机会，提升创新能力；2012年美国国家科学技术委员会发布《国家先进制造战略计划》。 在国防部层面，制造技术（Man Tech）规划是美国目前唯一致力于发展国防必需的制造技术规划，迄今已连续实施50余年，并在2012年底发布了的Man Tech 规划最新战略计划。2008年美国防部就启动了“国防部工业基础创新基金计划（IBIF）”。另外美国国防预先研究计划局（DARPA）也实施了多个制造相关的计划，如： 2008年启动颠覆性制造技术计划；2009年启动了为期5年的自适应制造计划路线图。 通过多个投资渠道促进国防制造技术发展 奥巴马政府于2012年3月出台了与企业、大学、社区共同建立全国制造业创新研究网络的倡议，提出由联邦政府出资10亿美元，在10年内创建15个制造业创新研究所(IMI)。截至2015年1月，奥巴马政府已经通过行政命令后动了五个制造业创新研究所。 第一个是2012年8月宣布在俄亥俄州扬斯顿设立增材制造业创新研究所(TheNational Additive Manufacturing Innovation Institute)。其中，美国国防部、能源部、商务部、国家科学基金和国家航空航天署等5家政府部门承诺共同出资4500万美元，首笔资金为3000万美元；由俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体出资4000万美元。 第二个是2014年1月宣布在北卡罗来纳州罗利建立新一代电力电子制造业创新研究所(The Next Generation InnovationInstitute)。由美能源部牵头并承诺5年出资700万美元。 第三个是2014年2月宣布在伊利诺伊州芝加哥建立数字制造和设计技术创新研究所(The Digital Manufacturing and DesignInnovation Institute)。商务部等将提供700万美元基金，该研究所将通过融资等方式获得2．5亿美元，使整个研究所资金规模达到3．2亿美元。 第四个是同年2月宣布在密歇根州底特律建立轻型现代金属制造业创新研究所(The Lightweightand Modern Institute)。国防部主导并承诺出资700万美元基金，非联邦的配套资金将为780万美元，研究所资金规模将达1．48亿美元。 第五个是2015年1月宣布在田纳西州诺克斯维尔建立先进复合材料制造创新研究所(TheAdvanced Composite Institute)。该研究所投资总额将达2．5亿美元，其中能源部出资7000万美元，由企业、大学、实验室和非盈利组织组成的联合团体将提供至少1．8亿美元的配套基金。 此外美国国防预先研究计划局从2012年起5年内在先进制造技术研发方面的投资约10亿美元，力图从根本上改变目前的制造与生产方式大大缩短武器装备从设计到生产的时间。 2、英国 英国政府于2014 年初宣布设立国家3D 打印中心，并投入3000 万英镑用于研发发动机和起落架零件的增材制造技术。 3、日本 日本经产省2014 年划拨40 亿日元启动3D 打印机国家项目，推动和支持金属3D打印机、砂模3D 打印机等先进增材制造设备开发。 4、韩国 韩国政府2014 年计划投资230 万美元建立3D 打印中心，从2015 年起个体和小企业可租用3D 打印机，以帮助小企业减少研发成本，并计划将3D 打印纳入大学软件课程，使学校能够探索应用3D 打印技术的潜在益处。 国外主要国家先进制造技术突破及意义影响 1、增材制造技术 3D、4D打印技术 3D打印（也称为“增材制造”）技术作为一种快速成形技术，可制造出许多采用普通制造方法（如铸造和机械加工等）成本高、难成形的金属零件，不但能够以最少的材料制造出复杂结构零件，还能够通过拓扑优化技术确定零件中材料的位置，优化结构重量比，减轻零件重量。因此，3D打印技术近年来发展尤为迅速，在航空航天及军事领域更是获得了广泛关注 1）在航空领域，3D 打印零部件在空客飞机获得应用 法国空客公司开始将3D 打印技术用于新一代A350XWB宽体飞机及正在服役的A300/A310系列喷气式客机等飞机零部件的制造。该公司旨在通过3D 打印技术等新技术革新，降低飞机零部件的重量，并提高生产效率，缩短交付周期，实现重量降低30%~55%、原材料使用量降低90%、生产总能耗最多减少90% 的目标。空客公司采用Laser CUSING 工艺加工的A350XWB 宽体飞机舱体支架获得“2014 年德国工业创新大奖”。 2）在航天领域，3D打印零部件在卫星、火箭方面获得应用 美国国家航空航天局（NASA）将零重力3D打印机安装在国际空间站上，并成功打印出首批21个热塑性树脂零件，开创了太空3D 制造的新纪元。太空探索公司首次发射了带有3D打印的氧化剂真空管主管的猎鹰-9火箭，在高液体氧分压、低温与高频率震动环境下，管体运行良好，管体制造时间从几个月减少到不到2 天。空客集团下属的空客防务及航天公司成功采用EOS公司的EOSINT M280 打印机制造了钛合金卫星支架，可在20kN 压力下持续承受-180℃～150℃的温度变化，且每个支架的制造成本节约近20%，重量减轻约0.3kg，每颗卫星三个支架的总制造周期从一个月缩短到不足五天，总重量减轻近1kg。美国最大的国防供应商洛克希德· 马丁公司正在加强3D 打印和虚拟现实技术的应用，以压低卫星制造的巨额成本，维护利润空间。采用3D 打印技术制造的零件将有望获得政府批准用于第5 和第6 天基红外系统（SBIRS）导弹预警卫星和其他军事卫星。 3）在海事领域，用于海军舰艇零部件 2014年7月1日，美国海军试验了利用3D打印等先进制造技术快速制造舰艇零件，希望借此提升执行任务速度并降低成本。2014年6月24日至6月26日，美海军在作战指挥系统活动中开展了一系列“打印舰艇”研讨会，并在此期间向水手及其他相关人员介绍了3D打印及增材制造技术。美国海军致力于未来在这方面培训水手。采用3D打印及其他先进制造方法，能够显著提升执行任务速度及预备状态，降低成本，避免从世界各地采购舰船配件。 最新提出的4D打印技术是将3D打印技术与智能材料结构结合起来，智能材料结构在3D打印基础上在外界环境激励下随着时间实现自身的结构变化4D打印技术。 2013年2月，麻省理工学院的研究人员Skylar Tabbis将一根含有吸水性智能材料的复合材料管放入水中后，这根管子自动扭曲变形，显示成“MIT” 字样的形状，这是4D打印技术的首次公开亮相。这种直接将设计内置到物料当中的4D 打印，简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程，物品在经过基础打印之后，便不再需要连接任何复杂的机电设备，就可以自行变幻成所预设的产品模样。随后，美国各大学的硏究机构纷纷参与4D打印智能材料的研发。 借助4D打印技术制造出的智能结构，可以发生由一维或二维结构向三维结构的变化，或者由一种三维结构变形成另一种三维结构为4D打印技术带来广阔的应用前景。例如，4D打印有利于新型医疗植入物的制造。对于心脏支架而言，如果采用4D打印技术，将不再需要给病人做开胸手术，可通过血液循环系统注射携带设计方案的智能材料，到达心脏指定部位后自我组装成支架；美国陆军和海军已经考虑采用4D打印技术制造军事装备零部件，以减少因运输和储存带来的巨大成本和损耗，启动具有适应各种地形的车辆研发制造，或是“自适应伪装作战服”设计生产。麻省理工学院与波士顿一家名为Geosyntec的公司展开合作，开发新型基础设施管路制造方案，将4D打印技术应用于城市管道建设，借助管道的自动调整、自动组装和自动修复功能，降低管道铺设的难度和成本，更好地应对地质灾害的发生。同时，危险地区的工程将不再需要人的介入，合作双方计划进一步开发可用于完整建筑结构的4D打印片材，并以此彻底改变传统建筑行业选料用料方式。 微纳尺度3D 打印、4D打印技术 微增材制造是在常规尺度增材制造基础上将精度提高至微米甚至纳米级，同时实现制造过程对材料性能的实时可控。近年来, 国际上微纳尺度3D、4D 打印技术已经取得多项重大进展和突破。 2010年，瑞士IBM研究中心(Nano Frazor, 3D纳米打印)实现了10 nm 以下复杂三维微纳结构制造。2015年3月, 德国TETRA 将推出全球精度最高的纳米3D 打印机, 已经被用在组织工程和细胞培养等方面, 其高分辨率的支架可支持细胞成长, 同时也可针对不同类型的细胞进行优化。2015 年3月20 日, 美国Carbon3D 公司和北卡罗来纳大学研究人员在Science杂志发表文章, 报道了一种革命性改进的3D 打印技术—连续液体界面生产技术(continuousliquid interface production, CLIP)技术, 并被选为杂志封面,将3D 打印速度提高100倍. 目前美国、德国、英国、日本、韩国等都纷纷斥巨资开展微纳尺度3D 打印基础理论、装备、材料及工业化应用研究。 美国西北大学国际纳米技术研究所( iin) 2015年从美国国防部多学科大学研究计划项目中获得为期5 年850 万美元的资助，重点开发下一代印刷技术“4D 打印机”。该4D打印机将包括数以百万计的微小弹性的“笔”，可以分别独立地用于创建纳米尺寸的软、硬质材料，将被用来构造化学、材料科学和美国国防有关领域研究的新器件，可能会产生新的化学和生物传感器、催化剂、芯片设计和特别材料等。弗吉尼亚理工大学的研究团队将4D打印同纳米材料结合在一起，在打印出的物体中嵌入纳米材料，制造出能在电磁波（可见光和紫外光）的作用下改变属性的多功能纳米复合材料。 2、数字化制造技术与设计 数字化制造技术是支持信息化或知识化制造业的技术, 包括敏捷制造技术、虚拟制造技术网络制造技术、计算制造技术集成制造技术、模拟仿真技术和虚拟测试技术等等。 2013年7月，美国国防部正式发布了“数字化制造和设计”制造创新机构的公告。“数字化制造和设计创新机构” 致力于研究开发基于模型的新型设计方法、虚拟制造工具，以及基于制造网络的传感器和机器人技术等，加速数字化制造的创新，2014 年2 月，美国国防先期研究计划局（DARPA）公布，实施近4 年的“自适应载具制造”（AVM）计划将进行技术转移，交由国家制造创新网络“数字化制造与设计创新机构”（DMDII）负责进一步的技术开发和推广工作。AVM 计划实施了三个项目——META（即“元”，指基本工具、模型、方法等）、iFAB（即“数据驱动的快速自适应工厂”）和FANG（即“快速自适应新一代地面车辆”）项目，研究重点分别为基于模型的系统设计/ 分析/ 验证等数字化设计技术、可制造性反馈和生产自动配置等数字化制造技术、基于网络的协同平台技术，关注从复杂武器系统概念设计到全尺寸物理样机建造的整个研制过程。已开发出数十种软件工具，搭建了一种全新的研制模式。 3、生物制造技术 生物制造技术是模仿生物组织结构和运行模式的制造技术, 它将融合交叉机械科学与生命科学,学习和借鉴现代分子生物学的成就, 产生崭新的工艺与产品, 用以解决制造领域中的难题。 美国空军加速开发纳米生物制造技术，2013年美国空军研究实验室(AFRL)已经授权柔性技术联盟(FlexTech Alliance)发起组织一个新纳米生物制造联盟，主要目标是汇集纳米技术、生物技术、添加剂制造和柔性电子技术方面的一流研究人员，建造原型监测设备。根据一份价值550万美元的成本共享项目，AFRL将注资220万美元，制造联盟的合作伙伴将负责平衡合同。 此外，为应对不断增加的战场烧伤威胁，美国防部研究采用3D 生物打印技术修复士兵皮肤烧伤，首先通过扫描烧伤区域构建出3D 图形，然后利用计算机程序进行解析，以确定使用哪些类型的细胞进行打印，再将这些不同细胞装入生物打印机中。该技术将广泛应用于器官、肢体和血管系统，以及骨骼与肌肉复杂组织的再生等领域。美陆军研究实验室研究人员正在使用合成材料，采用3D 打印技术制造人类颅骨，以创建应对爆炸冲击波新的“大脑”防御。研究人员已使用CT 扫描图像来获取右侧颅骨几何形状和结构，并使用这些图像和3D 打印技术生产类骨替代物模型，这些模型将用于在模拟爆炸和冲击条件下测试新的头盔衬垫材料。此项研究的目标是确定衬垫和头盔外壳材料如何来保护头部免受伤害。 4、超材料制造技术 超材料是由周期性或非周期性人造微结构排列而成的人工复合材料，核心思想是通过复杂的人造微结构设计与加工，实现人造“原子”对电磁场或者声纳的响应，核心理论之一即为描述电磁波传播轨迹与超材料特性的变换光学。超材料技术属于前沿性交叉科技，所涉及的技术领域包括电磁、微波、太赫兹、光子、先进的工程设计体系、通信、半导体等。隐身衣、智能汽车、无声潜艇，这些科学幻想随着超材料的发展终将成为现实。 2014 年6 月, 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和麻省理工学院研究人员利用微尺度3D打印制造具有微结构的超轻和超强度的新型超材料(metamaterial), 可以承受至少16 万倍于自身重量的负荷, 在航空航天、高速列车、汽车、船舶等交通运输行业具有巨大工业化应用前景。 2015年，英国拉夫堡大学（Loughborough）获得了一笔390万英镑的资金用于合成3D超材料的研究，这笔资金来源于英国工程和物理科学研究理事会（EPSRC），这个研究项目名为SYMETA，即Synthesizing3D Metamaterials的缩写，目的是为了开发一种更加生态、环保的用于射频、微波和太赫兹波的高频电路。 2016年美国西北大学和的俄克拉何马州立大学的工程师们，将超材料及3D打印结合，研发出一种创新透镜，其能聚焦电磁辐射在太赫兹频率，该透镜相较标准透镜不仅可以有较好的成像质量，它更为神秘的太赫兹领域打开另一先进视野。 德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的科学家利用spinoff Nanoscribe直接激光写入法制造出了触觉隐形斗篷，其制造精度仅超过设计样本长度几毫米。该触觉隐形斗篷由聚合物制成的超材料制作。这种超材料是按次微米精度构造的晶体结构。它由针尖相接触的针状锥组成。接触点的大小需精确计算，以满足所需的机械性能。 |
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