國防高階製造裝備是以高新技術為引領，決定國防裝備製造業整體競爭力的高附加值裝備。國防高階製造裝備最能體現一個國家裝備製造業的技術水平，也是武器裝備研製能力的重要基礎。自奧巴馬政府提出“重振製造業”以來，美國立足國家大工業基礎，充分運用協同創新機制，推出一系列頂尖水平的國防高階製造裝備，包括極端製造裝備、智慧製造裝備、增減材複合製造裝備、太空製造裝備等，這對實現武器裝備大型化、高效化、智慧化研製生產具有重要意義。
一、發展背景
1.製造業重新成為全球經濟競爭的焦點，國防高階製造裝備迎來快速發展機遇期
經濟危機後，實體經濟的戰略意義再次凸顯，美國等世界主要發達國家紛紛實施以重振製造業為核心的“再工業化”戰略，瞄準高階製造領域，謀求打造新的競爭優勢。國防高階製造裝備作為武器裝備研製生產的基礎和支柱，以及國防工業不可或缺的戰略資源，已成為發達國家國防制造業爭奪技術優勢的關鍵點，其水平和擁有量是衡量國防工業綜合競爭力的重要指標。
2.在新一代資訊科技與製造業的融合促動下，國防高階製造裝備向智慧化方向發展
美歐等國加大智慧製造相關創新力度，推動3D列印、移動互聯、雲計算、大資料等新興技術取得新突破，並致力於發展基於賽博實物系統（CPS）的智慧製造裝備，積極佈局“智慧工廠”，推進“智慧生產”，引領製造模式的智慧化轉型。為在新一輪工業革命中佔據先機，美國於2013年釋出《工業網際網路戰略》，其核心是實現智慧機器、高階分析和人的有機融合，推動智慧製造成為美國製造業的發展重點和未來方向。
3.美國政府頂層謀劃、大力扶持國防制造技術與裝備發展
2011年，美政府釋出《確保美國先進製造的領先地位》，提出重點發展新一代機器人、創新型節能製造工藝等；2012～2014年，相繼出臺《製造業促進法案》、《先進製造夥伴計劃》、國防部《製造技術（ManTech）戰略規劃》、《振興美國製造與創新法案》等，重點支援模組化、智慧化、增材製造、綠色可持續製造等國防高階製造裝備發展。2012年，美政府啟動“國家制造創新網路”計劃，擬投資10億美元，並吸引高於10億美元的社會資金，組建超過15家制造創新機構，截至2016年4月已成立8家，其中6家由國防部負責，對促進國防高階製造技術與裝備創新發展具有重要意義。
二、發展態勢
美國防高階製造裝備日益呈現出極端化、智慧化、複合化、模組化、綠色化發展態勢，製造工藝已逐步從“以減材製造為主”向“增減材製造並舉”的方向發展，製造環境已從“在地球製造”向“太空製造”拓展。
1.極端化
為滿足新一代重型和超大型武器裝備發展需求，美國高度重視極端製造裝備發展，建造了代表世界最高水平的巨型攪拌摩擦焊裝備、機器人制造裝備、鍛造裝備等。
為支撐“航天發射系統”（SLS）重型運載火箭的建造，2014年NASA和波音公司以及伊薩公司等聯合建造出全球最大的攪拌摩擦焊裝備“垂直整合中心”。該裝備高51.8米、寬23.8米，集成了焊縫質量無損檢測功能，可支撐SLS第一級（直徑8.46米、高約61米）箭體結構焊接整合，是極端製造和綠色製造的典型；2016年，NASA將使用“垂直整合中心”完成SLS第一級的焊接整合，為2018年SLS的首飛奠定基礎。
2015年，NASA研製出世界最大的機器人複合材料纖維鋪放系統，其臂長6.4米，安裝在長12.2米的軌道上，機械臂頭部一次可裝入16束碳纖維，能在多個方向上精確運動以實現精細鋪絲，將為SLS建造直徑超過8米的全球最大的複合材料液氫貯箱。
此外，美國還投資1億美元發展了5萬噸級的巨型模鍛裝備，鍛造出世界上最大的整鍛鋁合金戰車車底；建成了世界上最大的線性摩擦焊機，焊接表面積達10000平方毫米，打破了焊接鍛造負載100噸的紀錄。
2.智慧化
利用現代感測、網路、自動控制、人工智慧等技術，實現製造裝備的智慧化，已成為21世紀美國製造業的重要發展方向和新工業革命的主要標誌。
製造創新機構、DARPA、NASA等機構成為美國國防智慧製造裝備創新發展的源泉
為在智慧製造裝備和技術發展方面引領創新，加速國防工業智慧化轉型，美國計劃構建智慧製造創新機構，並透過國防部牽頭組建的“美國造”製造創新機構、數字化製造與設計創新機構，大力推進智慧機器、增強現實、可穿戴計算、賽博實物系統、先進增材製造裝備等智慧製造裝備相關專案的研發。2016年，美國防部提出製造創新機構將重點關注先進機床和控制系統、輔助和柔性機器人等領域。早在2010年，DARPA就啟動了自適應車輛製造專案，旨在預先研究智慧製造裝備和技術，以實現大型複雜系統研製生產智慧化，其成果將與製造創新機構成果結合，轉化應用到武器裝備研製中。此外，NASA在2015年《航天技術路線圖（草案）》中也提出發展智慧一體化製造、賽博實物系統，推進可持續製造。
機器人制造裝備、智慧機器、增材製造裝備等已成為美國國防高階智慧製造裝備發展的潮流
美國在機器人增材製造裝備、複合材料製造裝備以及自動化裝配裝備等方面已取得重大突破。2015年11月，美國Arevo實驗室宣佈建成世界上首臺機器人增材製造裝備。該裝備集成了德國ABB機器人公司的商用6軸機器人系統、熔融沉積成形3D列印技術、末端執行器硬體以及綜合軟體套件等，可實現航空航天高效能碳纖維增強熱塑性複合材料零部件的高效自動化製造，建造範圍在1000立方毫米～8立方米之間；NASA於2015年建成的世界最大的機器人複合材料纖維鋪放系統既是極端製造裝備的典型，也是機器人制造裝備的典型；2014年，波音公司“機身自動站立裝配”裝備透過技術驗證，已用於“波音”777飛機裝配。此外，波音公司將先進態勢感知、賽博實物系統等技術引入飛機裝配生產線中，構建智慧裝配生產線，並應用於“波音”737和“波音”787飛機研製生產中；美海軍金屬加工中開展了多型水面艦艇加強筋製造自動化工裝裝備研究，可大量節省艦艇加強筋的建造成本。
3.複合化
工藝複合化、功能複合化已成為高階製造裝備提高效率、節約成本的重要發展方向。美國透過工序複合、工藝複合、模組化設計等方式，建成增減材製造裝備、“攪拌摩擦焊裝備庫”等複合化國防高階製造裝備。2015年5月，“美國造”創新機構宣佈，基於模組化設計方案，首建立成兼具數控加工能力和鐳射工程化淨成形金屬增材製造能力的增減材複合製造裝備，預示著製造企業和生產車間能以較低成本、較高效率對現有數控機床進行升級改造，使同一機器同時具備增材製造和減材製造雙重工藝能力，進而大幅提升生產能力和成本效益。2016年，NASA將基於“攪拌摩擦焊裝備庫”建成SLS第一級，其中有5套裝備用於焊接製造貯箱的筒型結構、圓形封頭、連線環箍結構等分系統及其部件，“垂直整合中心”則完成各種大型部件的裝配整合。未來，機器人與常規制造裝備的複合化、基於賽博實物系統的智慧機器互聯將是複合化發展的新潮流。
4.太空製造
為滿足未來在太空按需製造零部件，並進行自動化整合裝配的需求，NASA、DARPA等政府機構聯合太空製造公司、勞拉空間系統公司、諾格公司、奇點大學等工業界和學術界的力量，致力於發展太空3D打印製造裝備和太空機器人一體化的製造裝備。目前，太空製造裝備發展已在一些領域取得突破。
太空3D打印製造裝備研製取得階段性成果
2011年，NASA授權太空製造公司開展零重力3D印表機研究。2014年，該公司研製的首臺試驗型零重力3D印表機被送往國際空間站；2015年2月，完成了首輪太空3D列印試驗；2016年3月底，第二臺太空3D印表機被送往國際空間站，並於6月打印出首個工具扳手，成為人類歷史上首臺商用太空製造裝備。
太空機器人整合製造裝備研發加速推進
2015年8月，DARPA授權勞拉間空系統公司研究在太空製造通訊衛星的機器人裝備（“蜻蜓”專案）；2015年12月，勞拉間空系統公司宣佈已與NASA簽署合同，將在DARPA“蜻蜓”專案基礎上，發展利用機器人在太空製造、裝配航天器和太空結構的技術（“臨界點”專案）。兩個專案都致力於發展太空機器人整合製造裝備。
太空機器人整合製造裝備和3D列印機制造裝備的一體化系統成為發展重點
2016年，NASA已投資2000萬美元，授權太空製造公司、諾格公司以及海洋工程太空系統公司等，實施“多功能太空機器人精密製造與裝配系統”（Archinaut）專案，旨在研發裝有多個機械臂的3D印表機，並將其安裝在國際空間站上，未來可利用Archinaut的機械臂，在軌拆卸廢棄航天器上的可用零部件或在軌列印零部件，並組裝新航天器。太空製造公司負責製造Archinaut的3D印表機，海洋工程太空系統公司負責製造印表機上的機械臂，諾格公司負責為系統工程、電子控制、軟體和測試等提供支撐。此外，太空製造公司2016年2月稱，5年內有望實現在軌制造和裝配通訊衛星反射器或其他大型結構。
三、發展模式
美國透過國家層面的統籌建設和發展，以及政府、工業界、學術界的協同創新模式，大力推進國防高階製造發展，支撐世界一流武器裝備研製，加速國防制造業變革，提升製造業國際競爭力。
1.以武器裝備需求為牽引，從國家層面統籌建設和發展
美國將國防高階製造裝備，特別是重大製造設施，視為國防建設的核心戰略資源，並以武器裝備發展需求為牽引，從國家層面對其進行統籌建設和發展。透過加強管理，加大政府投入，充分發揮製造創新機構、DARPA、NASA等機構的主導作用，推動重大國防高階製造裝備與武器裝備研製的穩步協調發展，保障武器裝備始終處於世界領先水平。
2.採取政產學研用結合的協同發展模式
美國立足國家大工業基礎，集中優勢力量，採取政產學研用聯合攻關模式，進行重大國防高階製造裝備的研發建造。例如，“增減材混合製造裝備建造”專案由“美國造”創新機構資助，美國Optomec公司牽頭，聯合MachMotion公司、TechSolve公司、洛馬公司以及美陸軍貝尼特實驗室等共同完成。2016年2月，美國發布的首個《國家制造創新網路計劃戰略規劃》指出，要發揮政產學研用的力量，推動先進製造技術與裝備發展，加速整個國家的製造業創新。
3.充分發揮小企業的創新優勢
美國政府透過“小企業創新研究計劃”，鼓勵和幫助具備創新能力的小企業將實驗室研究成果轉化為產品，為開展創新提供了良好條件和機制。例如，根據計劃，NASA每年透過專案招標、專案評估等確定創新專案。這些創新專案的政府投入一般不超過100萬美元，卻能激發小企業的潛力。太空3D打印製造裝備就是由NASA聯合小企業共同完成的，充分發揮了太空製造公司、3D系統公司、層系統公司等小企業的創新優勢。
4.注重經濟可承受、可持續的發展方式
國防高階製造裝備發展過程中，在滿足需求、保證效能的同時，美國始終注重裝備製造的經濟可承受、綠色環保、可持續的發展。例如，在發展世界頂級攪拌摩擦焊裝備時，NASA和波音公司注重應用模組化設計模式，為製造裝備的升級改造奠定了良好基礎；儘量使用和改造現有裝置和工藝，以節約成本；注重可擴充套件性和可持續性，以滿足三種SLS構型第一級結構的需要；還採用了安全可靠、綠色環保的製造工藝
國防高階製造裝備是以高新技術為引領，決定國防裝備製造業整體競爭力的高附加值裝備。國防高階製造裝備最能體現一個國家裝備製造業的技術水平，也是武器裝備研製能力的重要基礎。自奧巴馬政府提出“重振製造業”以來，美國立足國家大工業基礎，充分運用協同創新機制，推出一系列頂尖水平的國防高階製造裝備，包括極端製造裝備、智慧製造裝備、增減材複合製造裝備、太空製造裝備等，這對實現武器裝備大型化、高效化、智慧化研製生產具有重要意義。
一、發展背景
1.製造業重新成為全球經濟競爭的焦點，國防高階製造裝備迎來快速發展機遇期
經濟危機後，實體經濟的戰略意義再次凸顯，美國等世界主要發達國家紛紛實施以重振製造業為核心的“再工業化”戰略，瞄準高階製造領域，謀求打造新的競爭優勢。國防高階製造裝備作為武器裝備研製生產的基礎和支柱，以及國防工業不可或缺的戰略資源，已成為發達國家國防制造業爭奪技術優勢的關鍵點，其水平和擁有量是衡量國防工業綜合競爭力的重要指標。
2.在新一代資訊科技與製造業的融合促動下，國防高階製造裝備向智慧化方向發展
美歐等國加大智慧製造相關創新力度，推動3D列印、移動互聯、雲計算、大資料等新興技術取得新突破，並致力於發展基於賽博實物系統（CPS）的智慧製造裝備，積極佈局“智慧工廠”，推進“智慧生產”，引領製造模式的智慧化轉型。為在新一輪工業革命中佔據先機，美國於2013年釋出《工業網際網路戰略》，其核心是實現智慧機器、高階分析和人的有機融合，推動智慧製造成為美國製造業的發展重點和未來方向。
3.美國政府頂層謀劃、大力扶持國防制造技術與裝備發展
2011年，美政府釋出《確保美國先進製造的領先地位》，提出重點發展新一代機器人、創新型節能製造工藝等；2012～2014年，相繼出臺《製造業促進法案》、《先進製造夥伴計劃》、國防部《製造技術（ManTech）戰略規劃》、《振興美國製造與創新法案》等，重點支援模組化、智慧化、增材製造、綠色可持續製造等國防高階製造裝備發展。2012年，美政府啟動“國家制造創新網路”計劃，擬投資10億美元，並吸引高於10億美元的社會資金，組建超過15家制造創新機構，截至2016年4月已成立8家，其中6家由國防部負責，對促進國防高階製造技術與裝備創新發展具有重要意義。
二、發展態勢
美國防高階製造裝備日益呈現出極端化、智慧化、複合化、模組化、綠色化發展態勢，製造工藝已逐步從“以減材製造為主”向“增減材製造並舉”的方向發展，製造環境已從“在地球製造”向“太空製造”拓展。
1.極端化
為滿足新一代重型和超大型武器裝備發展需求，美國高度重視極端製造裝備發展，建造了代表世界最高水平的巨型攪拌摩擦焊裝備、機器人制造裝備、鍛造裝備等。
為支撐“航天發射系統”（SLS）重型運載火箭的建造，2014年NASA和波音公司以及伊薩公司等聯合建造出全球最大的攪拌摩擦焊裝備“垂直整合中心”。該裝備高51.8米、寬23.8米，集成了焊縫質量無損檢測功能，可支撐SLS第一級（直徑8.46米、高約61米）箭體結構焊接整合，是極端製造和綠色製造的典型；2016年，NASA將使用“垂直整合中心”完成SLS第一級的焊接整合，為2018年SLS的首飛奠定基礎。
2015年，NASA研製出世界最大的機器人複合材料纖維鋪放系統，其臂長6.4米，安裝在長12.2米的軌道上，機械臂頭部一次可裝入16束碳纖維，能在多個方向上精確運動以實現精細鋪絲，將為SLS建造直徑超過8米的全球最大的複合材料液氫貯箱。
此外，美國還投資1億美元發展了5萬噸級的巨型模鍛裝備，鍛造出世界上最大的整鍛鋁合金戰車車底；建成了世界上最大的線性摩擦焊機，焊接表面積達10000平方毫米，打破了焊接鍛造負載100噸的紀錄。
2.智慧化
利用現代感測、網路、自動控制、人工智慧等技術，實現製造裝備的智慧化，已成為21世紀美國製造業的重要發展方向和新工業革命的主要標誌。
製造創新機構、DARPA、NASA等機構成為美國國防智慧製造裝備創新發展的源泉
為在智慧製造裝備和技術發展方面引領創新，加速國防工業智慧化轉型，美國計劃構建智慧製造創新機構，並透過國防部牽頭組建的“美國造”製造創新機構、數字化製造與設計創新機構，大力推進智慧機器、增強現實、可穿戴計算、賽博實物系統、先進增材製造裝備等智慧製造裝備相關專案的研發。2016年，美國防部提出製造創新機構將重點關注先進機床和控制系統、輔助和柔性機器人等領域。早在2010年，DARPA就啟動了自適應車輛製造專案，旨在預先研究智慧製造裝備和技術，以實現大型複雜系統研製生產智慧化，其成果將與製造創新機構成果結合，轉化應用到武器裝備研製中。此外，NASA在2015年《航天技術路線圖（草案）》中也提出發展智慧一體化製造、賽博實物系統，推進可持續製造。
機器人制造裝備、智慧機器、增材製造裝備等已成為美國國防高階智慧製造裝備發展的潮流
美國在機器人增材製造裝備、複合材料製造裝備以及自動化裝配裝備等方面已取得重大突破。2015年11月，美國Arevo實驗室宣佈建成世界上首臺機器人增材製造裝備。該裝備集成了德國ABB機器人公司的商用6軸機器人系統、熔融沉積成形3D列印技術、末端執行器硬體以及綜合軟體套件等，可實現航空航天高效能碳纖維增強熱塑性複合材料零部件的高效自動化製造，建造範圍在1000立方毫米～8立方米之間；NASA於2015年建成的世界最大的機器人複合材料纖維鋪放系統既是極端製造裝備的典型，也是機器人制造裝備的典型；2014年，波音公司“機身自動站立裝配”裝備透過技術驗證，已用於“波音”777飛機裝配。此外，波音公司將先進態勢感知、賽博實物系統等技術引入飛機裝配生產線中，構建智慧裝配生產線，並應用於“波音”737和“波音”787飛機研製生產中；美海軍金屬加工中開展了多型水面艦艇加強筋製造自動化工裝裝備研究，可大量節省艦艇加強筋的建造成本。
3.複合化
工藝複合化、功能複合化已成為高階製造裝備提高效率、節約成本的重要發展方向。美國透過工序複合、工藝複合、模組化設計等方式，建成增減材製造裝備、“攪拌摩擦焊裝備庫”等複合化國防高階製造裝備。2015年5月，“美國造”創新機構宣佈，基於模組化設計方案，首建立成兼具數控加工能力和鐳射工程化淨成形金屬增材製造能力的增減材複合製造裝備，預示著製造企業和生產車間能以較低成本、較高效率對現有數控機床進行升級改造，使同一機器同時具備增材製造和減材製造雙重工藝能力，進而大幅提升生產能力和成本效益。2016年，NASA將基於“攪拌摩擦焊裝備庫”建成SLS第一級，其中有5套裝備用於焊接製造貯箱的筒型結構、圓形封頭、連線環箍結構等分系統及其部件，“垂直整合中心”則完成各種大型部件的裝配整合。未來，機器人與常規制造裝備的複合化、基於賽博實物系統的智慧機器互聯將是複合化發展的新潮流。
4.太空製造
為滿足未來在太空按需製造零部件，並進行自動化整合裝配的需求，NASA、DARPA等政府機構聯合太空製造公司、勞拉空間系統公司、諾格公司、奇點大學等工業界和學術界的力量，致力於發展太空3D打印製造裝備和太空機器人一體化的製造裝備。目前，太空製造裝備發展已在一些領域取得突破。
太空3D打印製造裝備研製取得階段性成果
2011年，NASA授權太空製造公司開展零重力3D印表機研究。2014年，該公司研製的首臺試驗型零重力3D印表機被送往國際空間站；2015年2月，完成了首輪太空3D列印試驗；2016年3月底，第二臺太空3D印表機被送往國際空間站，並於6月打印出首個工具扳手，成為人類歷史上首臺商用太空製造裝備。
太空機器人整合製造裝備研發加速推進
2015年8月，DARPA授權勞拉間空系統公司研究在太空製造通訊衛星的機器人裝備（“蜻蜓”專案）；2015年12月，勞拉間空系統公司宣佈已與NASA簽署合同，將在DARPA“蜻蜓”專案基礎上，發展利用機器人在太空製造、裝配航天器和太空結構的技術（“臨界點”專案）。兩個專案都致力於發展太空機器人整合製造裝備。
太空機器人整合製造裝備和3D列印機制造裝備的一體化系統成為發展重點
2016年，NASA已投資2000萬美元，授權太空製造公司、諾格公司以及海洋工程太空系統公司等，實施“多功能太空機器人精密製造與裝配系統”（Archinaut）專案，旨在研發裝有多個機械臂的3D印表機，並將其安裝在國際空間站上，未來可利用Archinaut的機械臂，在軌拆卸廢棄航天器上的可用零部件或在軌列印零部件，並組裝新航天器。太空製造公司負責製造Archinaut的3D印表機，海洋工程太空系統公司負責製造印表機上的機械臂，諾格公司負責為系統工程、電子控制、軟體和測試等提供支撐。此外，太空製造公司2016年2月稱，5年內有望實現在軌制造和裝配通訊衛星反射器或其他大型結構。
三、發展模式
美國透過國家層面的統籌建設和發展，以及政府、工業界、學術界的協同創新模式，大力推進國防高階製造發展，支撐世界一流武器裝備研製，加速國防制造業變革，提升製造業國際競爭力。
1.以武器裝備需求為牽引，從國家層面統籌建設和發展
美國將國防高階製造裝備，特別是重大製造設施，視為國防建設的核心戰略資源，並以武器裝備發展需求為牽引，從國家層面對其進行統籌建設和發展。透過加強管理，加大政府投入，充分發揮製造創新機構、DARPA、NASA等機構的主導作用，推動重大國防高階製造裝備與武器裝備研製的穩步協調發展，保障武器裝備始終處於世界領先水平。
2.採取政產學研用結合的協同發展模式
美國立足國家大工業基礎，集中優勢力量，採取政產學研用聯合攻關模式，進行重大國防高階製造裝備的研發建造。例如，“增減材混合製造裝備建造”專案由“美國造”創新機構資助，美國Optomec公司牽頭，聯合MachMotion公司、TechSolve公司、洛馬公司以及美陸軍貝尼特實驗室等共同完成。2016年2月，美國發布的首個《國家制造創新網路計劃戰略規劃》指出，要發揮政產學研用的力量，推動先進製造技術與裝備發展，加速整個國家的製造業創新。
3.充分發揮小企業的創新優勢
美國政府透過“小企業創新研究計劃”，鼓勵和幫助具備創新能力的小企業將實驗室研究成果轉化為產品，為開展創新提供了良好條件和機制。例如，根據計劃，NASA每年透過專案招標、專案評估等確定創新專案。這些創新專案的政府投入一般不超過100萬美元，卻能激發小企業的潛力。太空3D打印製造裝備就是由NASA聯合小企業共同完成的，充分發揮了太空製造公司、3D系統公司、層系統公司等小企業的創新優勢。
4.注重經濟可承受、可持續的發展方式
國防高階製造裝備發展過程中，在滿足需求、保證效能的同時，美國始終注重裝備製造的經濟可承受、綠色環保、可持續的發展。例如，在發展世界頂級攪拌摩擦焊裝備時，NASA和波音公司注重應用模組化設計模式，為製造裝備的升級改造奠定了良好基礎；儘量使用和改造現有裝置和工藝，以節約成本；注重可擴充套件性和可持續性，以滿足三種SLS構型第一級結構的需要；還採用了安全可靠、綠色環保的製造工藝