增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建

王　應(yīng)，于志三

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

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增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建

王應(yīng)，于志三

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

摘要：通過對增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況、國內(nèi)增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀的介紹，初步建立了增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系框圖，為今后開展增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制修訂和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：增材制造機床；產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；標(biāo)準(zhǔn)體系

相對于機械制造業(yè)常用的減材制造方法，增材制造（additive manufacturing，AM）方法從20世紀(jì)80年代起被人們所熟知并應(yīng)用。雖然減材制造的工件表面質(zhì)量較高，但材料利用率低、加工周期長、成本高。作為一種新興的特種加工技術(shù)，增材制造通常能在一臺設(shè)備上快速制造出任意形狀的零件，且通過三維至二維的轉(zhuǎn)化，能大大簡化工件的加工成形工序，縮短加工周期，降低加工成本；而其應(yīng)用也已覆蓋至機械、汽車、能源、航空航天、生物醫(yī)療、食品及個人消費品等領(lǐng)域。因此，增材制造曾被西方媒體譽為“第三次工業(yè)革命”的新技術(shù)。

1　增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

一種新技術(shù)從誕生到發(fā)展、應(yīng)用，都要依托設(shè)備，增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用也不例外。目前，增材制造技術(shù)原理結(jié)合不同的工藝、材料所形成的增材制造機床及設(shè)備多達幾十種，激光燒結(jié)式（selective laser sintering，SLS）、激光熔化式（selective laser melting，SLM）、光固化式（stereo lithography，SL）、熔融沉積式（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、疊層實體制造（laminated object manufacturing，LOM）等多種型式的增材制造機床設(shè)備各具特色。我國的清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)等都有各自的團隊，致力于增材制造技術(shù)的科學(xué)研究；近年來國內(nèi)從事增材制造機床開發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)也在雨后春筍般地涌現(xiàn)。

隨著增材制造技術(shù)的日益發(fā)展，許多國家和地區(qū)相繼進行工藝、產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用，美國、日本、德國及中國開發(fā)的增材制造技術(shù)裝備及系統(tǒng)已占世界總量的70%［1］。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，消費品和電子行業(yè)應(yīng)用較多；而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，運用增材制造工藝制備牙科合金材料、人工骨支架結(jié)構(gòu)的技術(shù)也日趨成熟。未來，增材制造技術(shù)將繼續(xù)向功能零件制造、組織與結(jié)構(gòu)一體化制造、人工定制化假體制造、汽車車型快速設(shè)計、航空航天產(chǎn)品零部件制造及日常消費品制造等方面不斷發(fā)展，使該技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新相結(jié)合。同時，增材制造技術(shù)正在材料性能、精度控制及高效制造等關(guān)鍵技術(shù)上加大研發(fā)力度，以實現(xiàn)微納米級的制造精度和提高大型構(gòu)件的制造效率。

2　國內(nèi)增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)從事增材制造技術(shù)及設(shè)備研發(fā)的企事業(yè)單位較多，且形成了一定規(guī)模的用戶需求，這就需要在制造商和用戶之間對產(chǎn)品的性能要求達成一致，而標(biāo)準(zhǔn)就是最理想的工具。雖然我國已頒布十余項增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，但覆蓋范圍有限，尚未形成獨立的標(biāo)準(zhǔn)體系。因此，研究制定不同種類的增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、開展增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作，對增材制造機床行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

根據(jù)ISO國際標(biāo)準(zhǔn)分類，增材制造機床歸屬于數(shù)控機床類。由于增材加工時無切削作用力，屬于非傳統(tǒng)加工工藝，故增材制造機床一直是特種加工機床的重要組成部分，增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系也因此成為特種加工機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系（圖1）的重要分支。

圖1　特種加工機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系框圖

過去，增材制造技術(shù)及方法的叫法各異：快速成形、自由成形、快速原型制造、自由實體制造等。2004年發(fā)布的國內(nèi)第一部有關(guān)增材制造的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14896.7-2004《特種加工機床術(shù)語第7部分：快速成形機床》中，也將增材制造稱為“快速成形”。隨著美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）發(fā)布ASTM F2792-12《增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語》及中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布GB/T 14896.7-2015［2］《特種加工機床術(shù)語第7部分：增材制造機床》（代替GB/ T 14896.7-2004），國內(nèi)外已基本確立“增材制造”這一名詞術(shù)語。GB/T 14896.7-2015標(biāo)準(zhǔn)將增材制造定義為：基于離散-堆積原理，由零件數(shù)字模型直接驅(qū)動材料逐層堆積的成形制造方法；將增材制造機床定義為：采用逐層離散/堆積的原理進行零件或構(gòu)件制造的機床。

我國自20世紀(jì)90年代起開展增材制造技術(shù)的研究，最初以清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等少數(shù)幾家高校的科研團隊為代表，并研發(fā)出了幾種具有代表性的增材制造機床。在國家倡導(dǎo)“產(chǎn)業(yè)發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)先行”的背景下，全國特種加工機床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC161）組織上述單位制定了增材制造機床的相關(guān)產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)。SAC/ TC161從20世紀(jì)90年代末開始研究制定增材制造機床的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，是我國第一個從事增材制造機床標(biāo)準(zhǔn)研制工作的全國性標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)組織。截至2015年末，由其組織制定的現(xiàn)行有效的增材制造機床標(biāo)準(zhǔn)已有13項，其中，強制性國家標(biāo)準(zhǔn)3項、推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)4項、推薦性機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)6項（表1）。

表1　我國增材制造機床行業(yè)現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)

3　增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系的研究建立

為了更好地發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)化在推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化中的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性作用，促進經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展和社會全面進步，國務(wù)院于2015 年3月印發(fā)了《深化標(biāo)準(zhǔn)化工作改革方案》（以下簡稱《方案》）?！斗桨浮访鞔_指出，目前我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)體系和標(biāo)準(zhǔn)化管理體制已不再適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟發(fā)展的需要，對標(biāo)準(zhǔn)化工作的改革勢在必行。其中，建立政府主導(dǎo)制定的標(biāo)準(zhǔn)與市場自主制定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同發(fā)展、協(xié)調(diào)配套的新型標(biāo)準(zhǔn)體系成為改革的總體目標(biāo)之一；整合精簡強制性標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化完善推薦性標(biāo)準(zhǔn)、培育發(fā)展團體標(biāo)準(zhǔn)、放開搞活企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等則是改革的幾項具體措施［3］。因此，增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系的建立也應(yīng)圍繞《方案》加以實施。針對目前增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合國內(nèi)技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品及其標(biāo)準(zhǔn)，初步建立一套增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，并據(jù)此開展該領(lǐng)域產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制修訂及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作，以適應(yīng)未來行業(yè)發(fā)展的需求。

首先，增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)大致可分為以下幾類：基礎(chǔ)和通用性標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)、附配件標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。其中，產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)是最重要的部分，它直接影響著增材制造機床產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用等多個環(huán)節(jié)。其次，隨著增材制造機床行業(yè)的日益發(fā)展，不同型式的機床產(chǎn)品已逐漸形成規(guī)?；?、批量化生產(chǎn)，制造商需要使用產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計制造的各個環(huán)節(jié)，而用戶更需要利用產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)達到對產(chǎn)品進行優(yōu)選和驗收的目的。

就目前增材制造機床行業(yè)來看，熔融沉積快速成形機床已制定了較全面的產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)，安全防護技術(shù)要求、精度檢驗、參數(shù)及技術(shù)條件等4項標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了機床制造驗收的各個環(huán)節(jié)，且能達到用戶與制造商之間對產(chǎn)品性能指標(biāo)達成一致性的要求，基本能滿足今后一段時期的需要，熔融沉積快速成形機床的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)子體系也由此確立。其他技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定的增材制造機床可按熔融沉積快速成形機床的標(biāo)準(zhǔn)子體系建立各自的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，且標(biāo)準(zhǔn)制定的種類、數(shù)量不限。由表1可看出，疊層實體制造快速成形機床、激光選區(qū)燒結(jié)快速成形機床、立體光固化激光快速成形機床都制定了各自的技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)，或需再增加1～2項標(biāo)準(zhǔn)（如：精度檢驗），便能形成各自的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)子體系。剛性基板噴印成形機床也已制定了精度檢驗和技術(shù)條件等2項產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)子體系也已形成；與之對應(yīng)的撓性基板噴印成形機床已研制多年，隨著產(chǎn)品投放市場及標(biāo)準(zhǔn)的跟進，此種機床的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)子體系也將形成。

此外，通過粉末完全熔化方式直接成形金屬工件的激光熔化式、電子束熔化式增材制造機床也已投產(chǎn)，雖然目前還沒有國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一規(guī)范，但隨著《方案》的實施，未來不論是團體標(biāo)準(zhǔn)，還是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，都將對新品的研發(fā)、生產(chǎn)和使用提供標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，建立產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)子體系也指日可待。通過以上分析，初步建立了增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系框圖（圖2）。

圖2　增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系框圖

4　結(jié)語

為搶抓新一輪科技革命的機遇，助力我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加快推進國內(nèi)增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，基于現(xiàn)有增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，初步建立了增材制造機床產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，不僅能為增材制造機床行業(yè)提供標(biāo)準(zhǔn)需求，而且隨著標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作的有序開展和標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷完善，還能推動增材制造關(guān)鍵技術(shù)的突破，促進其在航空航天、國防軍工領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，對實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應(yīng)用具有重要意義。

參考文獻：

［1］李滌塵，田小永，王永信，等.增材制造技術(shù)的發(fā)展［J］.電加工與模具，2012（增刊1）：20-22.

［2］全國特種加工機床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. GB/T 14896.7-2015特種加工機床術(shù)語第7部分：增材制造機床［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

［3］中國政府網(wǎng).國務(wù)院印發(fā)深化標(biāo)準(zhǔn)化工作改革方案［J］.機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2015（4）：7-10.

Establishment of Additive Manufacturing Machines Product Standard System

Wang Ying，Yu Zhisan
（Suzhou Electromachining Machine Tool Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou 215011，China）

Abstract：Through the introduction to development situation of additive manufacturing（AM）industry and internal product standard actuality of AM machines，the flow chart of AM machines standard system is established. It provides basis for carrying out setting and revising standards，standardization works of AM machines product in the future.

Key words：additive manufacturing machines；product standard；standard system

中圖分類號：TG66

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）02－0067-03

收稿日期：2015-12-18

第一作者簡介：王應(yīng)，男，1981年生，工程師。