技经观察丨美国国防制造的前沿——融合制造

  近年来，美国国防承包商大规模合并，导致国防制造生态系统脆弱，威胁到主要武器系统的供应。俄乌战争和巴以冲突等对美军事需求给美国防制造业带来了很多压力，且时常出现供不应求的状况。为此，美政府发布多项政策拟通过先进制造技术增加国防制造业的实力，其中融合制造（Convergent manufacturing）成为美军事国防人机一体化智能系统的必然选择之一。本文阐述了融合制造在国防制造业的应用和该技术未来发展的新趋势，供参考。

  美国国防部在2022年发布的《国防工业基础内部的竞争状况》报告说明，美国国防承包商大规模合并，数量由51家缩减至5家，关键国防技术可能只有一个主要生产商，美国防制造生态系统脆弱，已经威胁到主要武器系统的供应。Defense news 2024年2月文章称，俄乌战争和巴以冲突等对美军事装备的需求给美国防制造业带来了很多压力，且时常出现供不应求的状况。大西洋理事会文章称，一旦与中国开战，美国可能面临弹药短缺。美国防制造业存在的空心化趋势明显、供应商数量不断缩减、人才短缺和整体产量不足等问题凸显，让美国政府深刻认识到增强国防制造能力的紧迫性。

  2024年1月，美国国防部发布历史上首份《国防工业战略》草案，明白准确地提出要加强国防供应链韧性和国防制造人才教育培训，并在国防工业原料和关键零部件供应链上剥离中国。然而，仅依靠美国传统制造业难以在短期内实现这一目标。解决美国防制造业产量和稳定能力问题的一个重要手段是大力推进先进制造技术的研发和落地，尤其是融合制造。

  融合制造是集成增材制造（3D打印）、减材制造、变质/变形制造、热处理和检测系统等多个先进制造技术的智能制造系统，该技术强调各模块之间的连接与协同工作，通过数字制造线程将各系统连接，以提升生产速度。相较于传统制造工艺，该技术具备以下特点：

  自定义程度高，加速国防装备研发和原型设计。融合制造主要依赖增材制造技术实现，该技术因自主性强和制造成本低被大范围的应用于原型设计中。在国防装备研发和快速迭代的过程中，不需要制造相应的模具或更改加工工艺，大幅度减少了在研发和原型设计阶段的时间损耗。

  多工艺协同操作，提高国防装备制造效率。传统制造业一定要通过单独的顺序处理步骤进行组装、整理和包装，无法更改顺序或同步进行。此外，各流程由不同的人员或组织负责，不同流程之间的运输与交接过程也会存在额外的时间损耗。融合制造可实现多工序协同操作，如在增材制造的过程中同步进行对部件结构伤害损坏的检测，一经发现问题可立即修改或停止进行后续流程，降低时间损耗。

  小批量生产所带来的成本低，支持中小企业发展。传统制造业生产要涉及高额的开模费用，这笔费用将分摊到每个产品的成本中。生产数量越少，每件产品的成本也就越高，进而导致其销售价格过高，降低中小企业相应产品的市场竞争力。而融合制造依赖增材制造加工产品，避免了传统制造业的开模过程，有助于中小企业的发展。

  一体化生产技术，规避零部件供应问题。美国国防制造供应链严重依赖海外零部件，零部件供应链容易受到干扰。美国防部2022年2月发布的《确保国防关键供应链的安全》报告数据显示，美国防制造业需要从海外尤其是是从中国大量进口铸件，用于武器系统和相关机床的制造。国防部称，超过800架F-35战斗机使用了一种美国法律和国防部条例明令禁止的中国生产的合金材料。融合制造技术可实现从原材料到最终成品的一体化生产，规避了美国国内相应零部件生产线短缺导致的国防装备产量受限的问题。

  移动性强，实现核心部件的现场制造。融合制造技术使用原材料主要为金属丝、金属粉末和聚合物，规格统一且便于运输。此外，融合制造系统尺寸小，可移动性强。例如，澳大利亚企业SPEE3D生产的远征制造单元将整个融合制造系统集成在两个集装箱内，实现了海军作战环境下的关键零部件的现场制造。

  全流程数控，降低操作人员技术和数量要求。融合制造技术利用数控线程将多种设备统一，实现多工序集成、全数控操作，操作人员不要掌握每个工艺的具体技能。相较于传统多线程制造业，该技术大幅度降低了对操作人员技能和数量的要求。

  为应对美国防制造业产量不足的问题，特朗普政府和拜登政府均出台了有关政策鼓励发展先进制造产业，如增材制造、数字控制机床、复合材料生产和AI等，为融合制造的出现与快速地发展建立了基础。

  2018年10月，特朗普政府发布《先进制造业领导力战略》，强化中小型制造商在先进制造业中的作用、鼓励制造业创新的生态系统、加强国防制造业基础。《先进制造业领导力战略》提出优先发展智能与数字制造，实现从设计到零部件的一体化生产，关注各制造模块和平台之间的集成，强调了发展先进工业机器人和增材制造技术。

  2022年10月，拜登政府发布《先进制造业国家战略》将增材制造技术、恶劣环境条件下的制造技术、提高制造协同能力和实现人机一体化智能系统无缝整合列为开发先进制造技术的具体目标。2024年的《先进制造国家战略》又强调了将增材制造与智能制造平台相结合，通过计算和数据驱动提高材料设计和加工能力。应用场景进一步明确为太空制造零部件，并结合机器人技术增强深空探索能力。

  目前，正在进行融合制造相关研究机构包括但不限于美国国家航空航天局（NASA）、美国陆军坦克汽车与装备司令部（TACOM）、美国空军研究实验室（AFRL）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）和面向未来轻量化创新中心（LIFT）。

  美国防制造相关研究机构和企业已经开发出融合制造技术，部分产品已经投入使用。

  美国海军与澳大利亚金属3D打印机制造商SPEE3D合作紧密。SPEE3D自2014年以来一直研究金属增材制造和融合制造技术，并于2024年6月在美国设立制造中心。该企业与美国、欧盟、英国和澳大利亚等国家海、陆、空军事国防部门存在密切联系，并于2023年11月向乌克兰军方提供3台WarpSPEE3D打印机，使乌克兰军队能够在数小时内快速制造军事装备的关键部件。

  2024年11月，SPEE3D推出新型融合制造设备，称为远征制造单元（EMU）。EMU将XSPEE3D高速金属3D打印机与SPEE3Dcell后处理单元结合在两个尺寸为6.2米×2.6米×2.6米的集装箱，重量分别为12500千克和8000千克，可通过卡车、轮船或飞机部署。此外，SPEE3Dcell还为3D打印机配备了双热处理炉、数控铣床和测试工具，确保无缝现场加工和质量控制。该系统能够生产40千克的大型金属部件，使用材料包括镍铝青铜（NAB）、铜和不锈钢，可满足海事应用的耐用性和抵抗腐蚀能力需求。该设备使美国海军和国防工业能够在偏远和恶劣环境中生产重要金属部件，简化供应链由此减少对漫长物流的依赖并缩短交货时间。

  美国陆军也大力促进增材制造技术与别的设备融合。此前美国陆军一直使用增材制造技术进行原型设计，拥有一定的研究经验。位于先进和融合制造中心地带底特律的美国陆军兵工厂正在开发融合制造新方法，以更好地生产作战所需的零件和系统，并使用工业控制网络和技术在生产过评估部件的质量，以便在制作的完整过程的早期识别和消除缺陷。

  在该工厂中，传统制造（根据制造方法和材料在单独的生产链中运行）向融合制造（将虚拟制造、制造流程、过程监控和控制以及异质材料结合在一个平台上以生产功能设备和组件）的演变正在进行中。融合制造能大大的提升零件数量和库存及现场可用性的灵活性，并改善零件特性，使其在恶劣情况下可用、耐用且性能更好。

  TACOM达伦·沃纳少将称，在国防工业中，设备之间的连接和融合技术是重点，融合制造是陆军未来15年的主要目标。TACOM制定了以下两个战略目标：（1）增强战略支持领域的供应链响应能力，生产工业基地使用的零部件；（2）增强未来陆军的先进制造能力，在战役和战术需求点的环境下生产零部件，减少后勤保障，同时提高战备水平。

  （三）NASA的融合制造集成了AI和数字孪生，致力于提升原位资源利用和深空探索能力

  NASA的太空高速公路在轨服务、组装和制造（OSAM）战略中也强调了融合制造技术，研究人员融合人工智能、机器人、增材制造和数字孪生等技术拟进行航天器在轨维修、装配和制造，并于2022年3月通过了关键性设计审查，展示了使用机器人为卫星补充燃料的能力及其装备制造技术。2024年6月，NASA资助6家涉及3D打印技术小企业团队，包括3D打印碳化硅空间光学器件、在轨3D打印实时监测、空间大型桁架3D打印技术等。这些资助将有利于提高原位资源利用能力，以此来实现在太空现场制造复杂且可靠的组件。

  ORNL的生产示范设施（MDF）在增材制造、人机一体化智能系统、复合材料生产、机械加工与机床和融合制造平台方面拥有大量的研究经验和有关技术人员。2024年9月，MDF开发出新型融合制造平台Future Foundrie，将电弧增材制造、热处理、检测和加工系统等多个先进制造系统集成到一个平台中，且具有的模块化、灵活性、可扩展性、经济性、可移植性和定制能力。各个系统通过智能制造线连接起来，并实现各个系统之间的通信。该融合制造平台为操作员提供更系统的数据，缩短了生产时间，增强了材料性能，并简化了从原型设计到实际部署的过渡，为未来的工艺改进提供了重要参考。该设备可实现风力涡轮机齿轮的维修和使用铸造材料生产部件等应用。Future Foundries提供了一种补充美国现有铸造设施的方法，尤其有助于小企业进行产品制造，以及提高关键能源部件等本土制造。同时，这项技术将有利于加强美国制造业基础并支持国家安全。

  智能化。融合制造将引入AI和数字孪生技术，实现对制造的全流程动态可视化监测，并通过AI大数据模型协调优化各工序路径，提升整体制造效率。美国2024年《先进制造业国家战略》强调了先进的传感、控制技术在制造业的应用，推动数字孪生技术的发展，进而通过AI大模型分析数字孪生模型数据，优化制造工艺从而提升美国防制造产量。未来融合制造全过程的数字化和智能化水平将提高。

  小型化。美国开发先进制造技术的关键目标之一是实现关键零部件的现场制造，以此摆脱作战环境下对于传统供应链的依赖，同时实现太空制造替换部件和太空基础设施，重复使用、回收、再制造核心部件。这两点需求均需确保融合制造设备的小型化和可移动性。未来，融合制造系统尺寸将继续缩小，可移动性增强，以实现“战壕工厂”和“太空制造”等理念。

  多材料融合。现有融合制造设备使用均为单一材料，如镍铝青铜、铜、不锈钢和纤维复合材料，仅可完成单一材料部件的生产。而实际结构如太空基础设施往往是铝合金和纤维复合材料等多种材料的组合，未来的融合制造或将专注于不一样的材料之间的连接。

  当前，美国国防制造业发展的底层逻辑从以成本为中心的全球化模式，转变为追求供应链和产业链安全，争相发展本土制造业。融合制造技术规避了美国在发展国防制造业时低水平基础部件生产线和劳动力不足的短板，有助于其实现国防装备全流程本土化。未来，美国政府将加大AI在融合制造中的应用，改善各工艺和流程之间的协调状况，进一步提升生产效率。我国在AI的应用领域拥有一定基础，但AI与先进制造技术之间的融合还有不足之处，美融合制造技术对我有重要参考价值。

  [4] 严瑾怡.透视当前美国军工企业产能不足的现象及成因[EB/OL].（2024-12-9）

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