近年來，美國國防承包商大規模合並，導致國防制造生態系脆弱，威脅到主要武器系統的供應。俄烏戰爭和巴以沖突等對美軍事需求給美國防制造業帶來了一定壓力，且時常出現供不應求的狀況。為此，美政府釋出多項政策擬透過先進制造技術增加國防制造業的實力，其中融合制造（Convergent manufacturing）成為美軍事國防智能制造的必然選擇之一。本文闡述了融合制造在國防制造業的套用和該技術未來發展趨勢，供參考。
一、大規模軍援凸顯美國防制造業產量不足和生態系脆弱
美國國防部在2022年釋出的【國防工業基礎內部的競爭狀況】報告指出，美國國防承包商大規模合並，數量由51家縮減至5家，關鍵國防技術可能只有一個主要生產商，美國防制造生態系脆弱，已經威脅到主要武器系統的供應。Defense news 2024年2月文章稱，俄烏戰爭和巴以沖突等對美軍事裝備的需求給美國防制造業帶來了一定壓力，且時常出現供不應求的狀況。大西洋理事會文章稱，一旦與中國開戰，美國可能面臨彈藥短缺。美國防制造業存在的空心化趨勢明顯、供應商數量不斷縮減、人才短缺和整體產量不足等問題凸顯，讓美國政府深刻認識到增強國防制造能力的緊迫性。
2024年1月，美國國防部釋出歷史上首份【國防工業戰略】草案，明確提出要加強國防供應鏈韌性和國防制造人才培養，並在國防工業原料和關鍵零部件供應鏈上剝離中國。然而，僅依靠美國傳統制造業難以在短期內實作這一目標。解決美國防制造業產量和穩定性問題的一個重要手段是大力推進先進制造技術的研發和落地，尤其是融合制造。
二、融合制造具備多項技術優勢，受美國兩黨大力支持
融合制造是整合增材制造（3D打印）、減材制造、變質/變形制造、熱處理和檢測系統等多個先進制造技術的智能制造系統，該技術強調各模組之間的連線與協同工作，透過數碼制造執行緒將各系統連線，以提升生產速度。相較於傳統制造工藝，該技術具備以下特點：
自訂程度高，加速國防裝備研發和原型設計。 融合制造主要依賴增材制造技術實作，該技術因自主性強和制造成本低被廣泛套用於原型設計中。在國防裝備研發和快速叠代的過程中，不需要制造相應的模具或更改加工工藝，大幅減少了在研發和原型設計階段的時間損耗。
多工藝協同操作，提高國防裝備制造效率。 傳統制造業需要透過單獨的順序處理步驟進行組裝、整理和包裝，無法更改順序或同步進行。此外，各流程由不同的人員或組織負責，不同流程之間的運輸與交接過程也會存在額外的時間損耗。融合制造可實作多工序協同操作，如在增材制造的過程中同步進行對部件結構損傷的檢測，一旦發現問題可立即修改或停止進行後續流程，降低時間損耗。
小批次生產成本低，支持中小企業發展。 傳統制造業生產需要涉及高額的開模費用，這筆費用將分攤到每個產品的成本中。生產數量越少，每件產品的成本也就越高，進而導致其銷售價格過高，降低中小企業相應產品的市場競爭力。而融合制造依賴增材制造加工產品，避免了傳統制造業的開模過程，有助於中小企業的發展。
一體化生產技術，規避零部件供應問題。 美國國防制造供應鏈嚴重依賴海外零部件，零部件供應鏈容易受到幹擾。美國防部2022年2月釋出的【確保國防關鍵供應鏈的安全】報告顯示，美國防制造業需要從海外尤其是是從中國大量進口鑄件，用於武器系統和相關機床的制造。國防部稱，超過800架F-35戰鬥機使用了一種美國法律和國防部條例明令禁止的中國生產的合金材料。融合制造技術可實作從原材料到最終成品的一體化生產，規避了美國國內相應零部件生產線短缺導致的國防裝備產量受限的問題。
移動性強，實作關鍵部件的現場制造。 融合制造技術使用原材料主要為金屬絲、金屬粉末和聚合物，規格統一且便於運輸。此外，融合制造系統尺寸小，可移動性強。例如，澳洲企業SPEE3D生產的遠征制造單元將整個融合制造系統整合在兩個貨櫃內，實作了海軍作戰環境下的關鍵零部件的現場制造。
全流程數控，降低操作人員技術和數量要求。 融合制造技術透過使用數控執行緒將多種器材統一，實作多工序整合、全數控操作，操作人員不需要掌握每個工藝的具體技能。相較於傳統多執行緒制造業，該技術大幅降低了對操作人員技能和數量的要求。
為應對美國防制造業產量不足的問題，特朗普政府和拜登政府均出台了相關政策鼓勵發展先進制造產業，如增材制造、數控機床、復合材料生產和AI等，為融合制造的出現與迅速發展建立了基礎。
2018年10月，特朗普政府釋出【先進制造業領導力戰略】，強化中小型制造商在先進制造業中的作用、鼓勵制造業創新的生態系、加強國防制造業基礎。【先進制造業領導力戰略】提出優先發展智能與數碼制造，實作從設計到零部件的一體化生產，關註各制造模組和平台之間的整合，強調了發展先進工業機器人和增材制造技術。
2022年10月，拜登政府釋出【先進制造業國家戰略】將增材制造技術、惡劣環境條件下的制造技術、提高制造協同能力和實作智能制造無縫整合列為開發先進制造技術的具體目標。2024年的【先進制造國家戰略】又強調了將增材制造與智能制造平台相結合，透過計算和數據驅動提高材料設計和加工能力。套用場景進一步明確為太空制造零部件，並結合機器人技術增強深空探索能力。
目前，正在進行融合制造相關研究機構包括但不限於美國太空總署（NASA）、美國陸軍坦克汽車與裝備司令部（TACOM）、美國空軍研究實驗室（AFRL）、美國國家標準與技術研究院（NIST）、美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）和面向未來輕量化創新中心（LIFT）。
三、融合制造在美國防制造業的典型套用
美國防制造相關研究機構和企業已經開發出融合制造技術，部份產品已經投入使用。
（一）美海軍與澳洲企業合作，透過融合制造實作關鍵零部件現場制造
美國海軍與澳洲金屬3D印表機制造商SPEE3D合作緊密。SPEE3D自2014年以來一直研究金屬增材制造和融合制造技術，並於2024年6月在美國設立制造中心。該企業與美國、歐盟、英國和澳洲等國家海、陸、空軍事國防部門存在密切聯系，並於2023年11月向烏克蘭軍方提供3台WarpSPEE3D印表機，使烏克蘭軍隊能夠在數小時內快速制造軍事裝備的關鍵部件。
2024年11月，SPEE3D推出新型融合制造器材，稱為遠征制造單元（EMU）。EMU將XSPEE3D高速金屬3D印表機與SPEE3Dcell後處理單元結合在兩個尺寸為6.2米×2.6米×2.6米的貨櫃，重量分別為12500千克和8000千克，可透過卡車、輪船或飛機部署。此外，SPEE3Dcell還為3D印表機配備了雙熱處理爐、數控銑床和測試工具，確保無縫現場加工和質素控制。該系統能夠生產40千克的大型金屬部件，使用材料包括鎳鋁青銅（NAB）、銅和不銹鋼，可滿足海事套用的耐用性和耐腐蝕性需求。該器材使美國海軍和國防工業能夠在偏遠和惡劣環境中生產重要金屬部件，簡化供應鏈從而減少對漫長物流的依賴並縮短交貨時間。
SPEE3D遠征制造單元
（二）美陸軍的兵工廠正在向融合制造轉型，將融合制造視為未來15年的目標
美國陸軍也大力促進增材制造技術與其他器材融合。此前美國陸軍一直使用增材制造技術進行原型設計，擁有一定的研究經驗。位於先進和融合制造中心地帶底特律的美國陸軍兵工廠正在開發融合制造新方法，以更好地生產作戰所需的零件和系統，並使用工業控制網絡和技術在生產過評估部件的質素，以便在制造過程的早期辨識和消除缺陷。
在該工廠中，傳統制造（根據制造方法和材料在單獨的生產鏈中執行）向融合制造（將虛擬制造、制造流程、過程監控和控制以及異質材料結合在一個平台上以生產功能器材和元件）的演變正在進行中。融合制造可以提高零件數量和庫存及現場可用性的靈活性，並改善零件特性，使其在惡劣情況下可用、耐用且效能更好。
TACOM達倫·沃納少將稱，在國防工業中，器材之間的連線和融合技術是重點，融合制造是陸軍未來15年的主要目標。TACOM制定了以下兩個戰略目標：（1）增強戰略支持領域的供應鏈響應能力，生產工業基地使用的零部件；（2）增強未來陸軍的先進制造能力，在戰役和戰術需求點的環境下生產零部件，減少後勤保障，同時提高戰備水平。
（三）NASA的融合制造整合了人工智能和數碼孿生，致力於提升原位資源利用和深空探索能力
NASA的太空高速公路在軌服務、組裝和制造（OSAM）戰略中也強調了融合制造技術，研究人員融合人工智能、機器人、增材制造和數碼孿生等技術擬進行航天器在軌維修、裝配和制造，並於2022年3月透過了關鍵性設計審查，展示了使用機器人為衛星補充燃料的能力及其裝備制造技術。2024年6月，NASA資助6家涉及3D打印技術小型企業團隊，包括3D打印碳化矽空間光學器件、在軌3D打印即時監測、空間大型桁架3D打印技術等。這些資助將有助於提高原位資源利用能力，從而實作在太空現場制造復雜且可靠的元件。
NASA太空機器人
（四）ORNL開發融合制造平台，有助於加強美國本土制造業基礎
ORNL的生產示範設施（MDF）在增材制造、智能制造、復合材料生產、機械加工與機床和融合制造平台方面擁有大量的研究經驗和相關技術人員。2024年9月，MDF開發出新型融合制造平台Future Foundrie，將電弧增材制造、熱處理、檢測和加工系統等多個先進制造系統整合到一個平台中，且具有的模組化、靈活性、可延伸性、經濟性、可移植性和客製能力。各個系統透過智能制造線連線起來，並實作各個系統之間的通訊。該融合制造平台為操作員提供更加系統的數據，縮短了生產時間，增強了材料效能，並簡化了從原型設計到實際部署的過渡，為未來的工藝改進提供了重要參考。該器材可實作風力渦輪機齒輪的維修和使用鑄造材料生產部件等套用。Future Foundries提供了一種補充美國現有鑄造設施的方法，尤其有助於小型企業進行產品制造，以及提高關鍵能源部件等本土制造。同時，這項技術將有助於加強美國制造業基礎並支持國家安全。
ORNL融合制造平台Future Foundries
四、未來發展趨勢
總體來看，美國融合制造技術有以下發展趨勢：
智能化。 融合制造將引入AI和數碼孿生技術，實作對制造的全流程動態視覺化監測，並透過AI大數據模型協調最佳化各工序路徑，提升整體制造效率。美國2024年【先進制造業國家戰略】強調了先進的傳感、控制技術在制造業的套用，推動數碼孿生技術的發展，進而透過AI大模型分析數碼孿生模型數據，最佳化制造工藝從而提升美國防制造產量。未來融合制造全過程的數碼化和智能化水平將提高。
小型化。 美國開發先進制造技術的關鍵目標之一是實作關鍵零部件的現場制造，以此擺脫作戰環境下對於傳統供應鏈的依賴，同時實作太空制造替換部件和太空基礎設施，重復使用、回收、再制造關鍵部件。這兩點需求均需確保融合制造器材的小型化和可移動性。未來，融合制造系統尺寸將繼續縮小，可移動性增強，以實作「戰壕工廠」和「太空制造」等理念。
多材料融合。 現有融合制造器材使用均為單一材料，如鎳鋁青銅、銅、不銹鋼和纖維復合材料，僅可完成單一材料部件的生產。而實際結構如太空基礎設施往往是鋁合金和纖維復合材料等多種材料的組合，未來的融合制造或將專註於不同材料之間的連線。
五、啟示
當前，美國國防制造業發展的底層邏輯從以成本為中心的全球化模式，轉變為追求供應鏈和產業鏈安全，爭相發展本土制造業。融合制造技術規避了美國在發展國防制造業時低水平基礎部件生產線和勞動力不足的短板，有助於其實作國防裝備全流程本土化。未來，美國政府將加大AI在融合制造中的套用，改善各工藝和流程之間的協調狀況，進一步提高生產效率。中國在AI的套用領域擁有一定基礎，但AI與先進制造技術之間的融合還有不足之處，美融合制造技術對我有重要參考價值。
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作者簡介
王浩然 國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究五室
研究方向：新材料和先進制造領域前沿技術跟蹤、政策研究
編輯丨鄭實
研究所簡介
國際技術經濟研究所（IITE）成立於1985年11月，是隸屬於國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究中國經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展態勢，為中央和有關部委提供決策咨詢服務。「全球技術地圖」為國際技術經濟研究所官方微信賬號，致力於向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。
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