美空军研究实验室推动增材制造技术发展

XQ-58A无人机机身验证工装。

增材制造高温树脂基复合材料燃油冷却器。

连续纤维3D打印的无人机机翼剖面。

金属经济可承受计划成员。

中国航空报讯：2019年12月，在美国防部举办的年度国防制造会议上，美空军研究实验室与国家增材制造创新机构签订了7年的新合作协议；其资助的“面向低成本持续保障的先进制造成熟”计划，以及其参与的“高性能低波动增材制造零件的鉴定框架”项目双双获得国防制造技术成就奖。作为美国国防科研的重要力量，空军研究实验室一直致力于推动增材制造这一颠覆性技术的发展，一方面直接出资支持国家级研究机构，并且设立专项计划鼓励创新；一方面网罗顶尖科研人员亲自参与研发，为未来军用航空装备的突破贡献力量。

持续资助国家增材制造创新机构 全面支撑增材制造研发

2012年8月，国家增材制造创新机构（又称“美国造”）由美国防部牵头建立。该机构由国防制造与加工中心领导，旨在集合全美的学术界、工业界、政府机构和非营利组织的力量，建立区域创新生态系统，促进增材制造领域的技术创新和应用研究，夯实增材制造工业基础，确保美国在该领域的全球领先地位。“美国造”机构由美空军研究实验室（AFRL）代表政府通过美国防部制造技术计划提供联邦资金并实施监管。“美国造”机构成立以来，美空军研究实验室已经与其签订了两轮公私合作协议，总金额超过3亿美元，有力支撑了这一美国国家制造创新网络中首个公私合作制造创新机构的高效运转。

7年多来，“美国造”机构在面向增材制造的设计、增材制造工艺优化、增材制造材料性能、增材制造价值链推进、增材制造材料基因组这五个技术领域，面向国防安全和经济发展需求设立了近百个项目，其中大量需求直接来自美空军研究实验室。波音、洛马、诺格、雷神、通用电气、联合技术公司等国防制造商参与了大部分项目，同时还支持了众多成果共享的开源项目，能够直接将成果转化到武器装备研发和生产中。2016年，“美国造”机构帮助国防部制定了符合美国未来军事需求的增材制造技术路线图，面向维修与保障、部署与远征、新部件／系统的采办这三类应用范围，识别了提升增材制造技术／制造成熟度的活动，为国防部实施合作与协调投资提供了基础和框架。2019年双方签订的第三轮政府拨款与成本分摊协议总金额高达3.22亿美元，将继续支持美国防部研究与工程署现代化优先领域中，高超声速、网络（赛博）和人工智能/机器学习等领域对增材制造相关技术的需求。

开展专项研究计划和挑战赛 提升增材制造军事应用水平

1.长期支持金属经济可承受性计划，聚焦领域转向高超和发动机增材制造

“金属经济可承受性”计划是美空军研究实验室在1999年启动的，成员包括波音、洛马等7家国防制造商以及美国主要的军用金属材料和零部件生产商，主要目标是大幅降低高性能金属材料的成本，显著改善金属零部件性能，其中金属增材制造是其重要方向之一。该计划设立20年来，累积获得投资超过2.5亿美元，有力推动了经济可承受、革命性的金属材料和工艺技术的发展，为军用航空装备的性能提升和维修保障成本降低做出了巨大贡献。近年来，美空军研究实验室开始面向未来装备的极端条件需求调整该计划，比如高温环境下运行的复杂外形结构方面，其中一个重点就是高超声速飞行器和下一代航空发动机零部件的增材制造。通过对先进增材制造技术和最佳实践的持续研究，该计划将成员们的知识和经验凝聚到一起，更好地应用到空军当前和未来装备，并且惠及美国金属工业。

2.设立面向低成本持续保障的先进制造成熟计划，提升空军战备完好性

当前美空军航空器的平均寿命超过28年，由于过时淘汰、制造成本高和数量要求低等原因，老旧飞行器的关键零件经常会停产，仅在2017年一季度，美空军就有1万份关键零件的生产招标因此而流标。2015年，美空军研究实验室与“美国造”机构联合启动了面向低成本持续保障的先进制造成熟度提升计划，旨在通过增材制造技术，按需更换不经济的损坏或过时零件，快速开发持续保障中心使用的辅助工具，实现老旧航空器的持续、低成本维护和保障。该计划分为三阶段开展，资金超过2700万美元，支持了36个可快速应用的研究方向，开发了通过零件族完成快速鉴定的方法，并且将36个方向中接近成熟的快速转化到实际应用中。