增材制造國內(nèi)外標準研究進展

丁紅瑜，武姝婷，袁 康，束超平，王 凡，陳 超，湯雁冰，蔣志勇

(1.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

(2.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

1 前言

增材制造通常又稱“3D 打印”，是以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字化添加材料的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に?。增材制造是相對于傳統(tǒng)的等材制造(如鑄造、鍛造)和減材制造(如機械加工)而言的，是制造領(lǐng)域的又一次革命，近幾十年來成為引領(lǐng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵技術(shù)之一，是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效的重要驅(qū)動力。據(jù)美國增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會(Wohlers)年度報告顯示，截至2016 年，全球增材制造行業(yè)市場規(guī)模達到了60.63 億美元，預計到2020 年有望達到210 億美元[1，2]。

伴隨著增材制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)及技術(shù)發(fā)展中面臨的標準化問題日益凸顯，各研究機構(gòu)、廠家采用的術(shù)語、技術(shù)指標的標準不統(tǒng)一，不利于學術(shù)交流和技術(shù)提升，嚴重制約了增材制造產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。因此，開展增材制造標準制定工作具有重要意義[3，4]。本文大體以時間為順序，分門別類地概括了目前國內(nèi)外有關(guān)增材制造標準的制定情況，分析了現(xiàn)有標準的特點和下一步的努力方向，對增材制造相關(guān)從業(yè)人員有一定參考意義。

2 國外增材制造標準研制進展

增材制造技術(shù)在國外經(jīng)歷長期發(fā)展，已經(jīng)形成了比較完整的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈體系，在標準制定方面也走在前列。目前國外針對增材制造標準制定的機構(gòu)主要包括國際自動機工程師學會(SAE)、美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)、國際標準化組織(ISO)等。以下就國外增材制造相關(guān)標準的制定情況進行簡介。

2.1 國際自動機工程師協(xié)會(SAE)的AMS 系列標準

SAE International 即國際自動機工程師學會(原譯:美國汽車工程師學會)，是一個技術(shù)性學會，在全球范圍內(nèi)擁有超過145 000 名會員，會員均是航空航天、汽車和商用車輛行業(yè)的工程師和相關(guān)技術(shù)專家。SAE International 制定的AMS 標準(Aerospace Material Specifications，美國宇航材料規(guī)范)應(yīng)用于全球范圍內(nèi)航空飛行器零件、系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)以及政府采購。AMS 標準具有技術(shù)水平先進、適用性好、格式規(guī)范等特點[5]，迄今為止，已有超過1000 份AMS 標準被美國國防部采用。

在增材制造標準制定方面，早在2002 年SAE 就針對激光直接沉積制造Ti-6Al-4V 合金零件發(fā)布了一項標準——AMS4999，并于2011 年將其升版為AMS4999A。鑒于增材制造技術(shù)近年來迅猛發(fā)展的勢頭，SAE International 于2015 年成立了AMS-AM 增材制造委員會，并得到聯(lián)邦航空管理局的任務(wù)函，以協(xié)助監(jiān)管機構(gòu)制定增材制造認證指導材料，將繼續(xù)制定金屬和聚合物的AMS規(guī)范，以支持航空航天的行業(yè)需求。據(jù)稱，代表飛機、航天器和發(fā)動機原始設(shè)備制造商、材料供應(yīng)商、運營商、設(shè)備/系統(tǒng)供應(yīng)商、服務(wù)提供商、監(jiān)管機構(gòu)和國防機構(gòu)等超過15 個國家的350 多名全球參與者積極參與該委員會。隨后SAE 發(fā)布了AMS700X 系列標準，目前已發(fā)布6 項，從AMS7000 到AMS7005，此外還有多項標準在制定中，涉及Haynes 230(GH3230)、Ti6242(TA19)、AlSi10Mg (ZL104)、ULTEM 9085、ULTEM 1010 等材料，見表1[1，5]。

表1 AMS 系列增材制造標準[1，5]Table 1 AMS series standard for additive manufacturing[1，5]

2.2 美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)的ASTM 系列標準

美國材料與試驗協(xié)會，其英文全稱為American Society for Testing and Materials(ASTM)，是當前世界上最大的標準發(fā)展機構(gòu)之一，ASTM 的會員目前已近34 000 個，已制定10 000 多項標準。

ASTM 高度關(guān)注增材制造技術(shù)的發(fā)展，2009 年ASTM專門組建了F42 增材制造技術(shù)委員會，其主要目標是制定增材制造材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務(wù)等領(lǐng)域的特性和性能標準、試驗方法和程序標準，促進增材制造技術(shù)推廣與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。F42 下設(shè)6 個專業(yè)技術(shù)委員會，包括F42.01 測試方法、F42.04 設(shè)計、F42.05 材料與工藝、F42.06 環(huán)境、健康與安全、F42.07 應(yīng)用領(lǐng)域(涉及航空、航天、醫(yī)療、重型機械、航海、電子、建筑、石油與天然氣、消費品)、F42.91 術(shù)語等。同時針對協(xié)會運行及與國際標準化組織ISO/TC 261 的合作，另外成立了F42.90 執(zhí)行委員會及F42.95 技術(shù)協(xié)調(diào)組。截止目前，ASTM F42 已經(jīng)發(fā)布及正在制定標準共50 余項[6]，目前公開渠道查詢到已發(fā)布的標準見表2[3，6]。這些標準涵蓋了鈦合金、高溫合金、鋁合金、塑料等材料；粉末床熔融、直接能量沉積等工藝；基礎(chǔ)文件術(shù)語、生產(chǎn)制造規(guī)范、后處理規(guī)范、測試評價方法規(guī)范等方面，種類豐富。

表2 ASTM 系列增材制造標準[3，6]Table 2 ASTM series standard for additive manufacturing[3，6]

2.3 國際標準化組織(ISO)相關(guān)標準

國際標準化組織(International Organization for Standardization，ISO)是世界上最大的非政府性標準化機構(gòu)，是國際標準化領(lǐng)域中一個十分重要的組織。ISO 的宗旨是“在世界上促進標準化及其相關(guān)活動的發(fā)展，以便于商品和服務(wù)的國際交換，在智力、科學、技術(shù)和經(jīng)濟領(lǐng)域開展合作”。

針對增材制造領(lǐng)域的標準化工作，2011 年ISO 也成立了標準化技術(shù)委員會TC261，并與ASTM F42 簽署合作協(xié)議，共同開展增材制造技術(shù)領(lǐng)域的標準化工作。ISO/TC 261 將增材制造標準體系框架分為3 個層次。其中最高級為基礎(chǔ)標準，包括術(shù)語、工藝與材料、測試方法、設(shè)計與數(shù)據(jù)等方面；第二級為分類標準，包括原材料、工藝、裝備分類、零件技術(shù)指標及測試等方面；第三級為專用標準，包括專用材料檢測標準、工藝專用標準、應(yīng)用標準等。

ISO 與ASTM 聯(lián)合發(fā)布了多項標準，如表2 中的ASTM F2915、ASTM F3301、ASTM F3303 等[3，6]。

3 國內(nèi)增材制造標準研制進展

我國自20 世紀80 年代開始增材制造技術(shù)研究，現(xiàn)已具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但在技術(shù)、配套、人才以及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展等方面與發(fā)達國家相比還存在一定差距，尤其是過去很多專門針對增材制造的高端制造設(shè)備，其軟件及專用材料長期依賴進口，近年來這一情況有了很大改觀，國產(chǎn)化取得了初步成效。不過，國內(nèi)增材制造領(lǐng)域的標準化工作推進仍然十分緊迫。

有鑒于此，2016 年4 月在北京成立了全國增材制造標準化技術(shù)委員會(SAC TC562)，并召開了一屆一次會議；隨后分別于2017 年6 月在成都、2018 年9 月在西安召開了一屆二次、一屆三次全體會議，討論標準制定工作[7]。SAC TC562 主要負責增材制造術(shù)語和定義、工藝方法、測試方法、質(zhì)量評價、軟件系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)服務(wù)等領(lǐng)域國家標準制訂和修訂工作，對口ISO/TC261，由中國機械工業(yè)聯(lián)合會負責日常管理和業(yè)務(wù)指導。SAC TC562 搭建了一個集標準研制、應(yīng)用、交流和共享于一體的技術(shù)平臺，在增強增材制造標準有效供給的同時，將有效提升我國增材制造標準國際化水平。

2018 年9 月SAC TC562 專用材料工作組成立會議在珠海順利召開。秘書處由廣東省珠海市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所和華南理工大學共同承擔；2019 年5 月SAC TC562測試方法分技術(shù)委員會在無錫成立，秘書處由無錫市產(chǎn)品質(zhì)檢院(國家增材制造產(chǎn)品質(zhì)檢中心)承擔。該測試方法分技術(shù)委員會主要負責增材制造領(lǐng)域的專用材料、裝備成形件的可靠性、安全性等測試方法的國家標準制修訂工作。分委員會的成立標志著增材制造標準化工作向分工更明確、更專業(yè)化的方向發(fā)展。

3.1 增材制造國家標準

起初增材制造設(shè)備、技術(shù)等方面的標準制定工作由全國特種加工機床標準化技術(shù)委員會(SAC/TC 161)負責指導。SAC TC562 成立以后，增材制造相關(guān)的國家標準制定工作速度大幅提升。表3 統(tǒng)計了近年來發(fā)布的有關(guān)增材制造的國家標準[1-3]。部分標準是參照ISO/ASTM 標準制定的。并且在國外增材制造標準的基礎(chǔ)上結(jié)合了新時代的特點，例如制定了《GB/T 37461—2019:增材制造云服務(wù)平臺模式規(guī)范》，充分利用信息時代的網(wǎng)絡(luò)化傳輸特點，實現(xiàn)增材制造的遠程異地產(chǎn)業(yè)分工合作，使得生產(chǎn)過程更加順暢高效。

表3 國內(nèi)增材制造國家標準匯總(統(tǒng)計至2019.10)[1-3]Table 3 National standard for additive manufacturing (till 2019.10)[1-3]

續(xù)表

3.2 地方標準及行業(yè)標準

地方標準和行業(yè)標準是根據(jù)各個地區(qū)、行業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平制定的標準，用于引導，規(guī)范當?shù)睾托袠I(yè)內(nèi)的生產(chǎn)過程，以達到產(chǎn)品質(zhì)量可控和技術(shù)穩(wěn)步提升的目標[8]。地方和行業(yè)標準最大的特點是因地制宜，其制定與地方/行業(yè)的發(fā)展水平密切相關(guān)。目前查詢到有關(guān)增材制造的地方標準及行業(yè)標準統(tǒng)計如表4 所示[8]。

表4 地方及行業(yè)增材制造標準匯總(統(tǒng)計至2019.10)[8]Table 4 Local and profession standard for additive manufacturing (till 2019.10)[8]

3.3 團體標準

團體標準是由團體按照團體確立的標準制定程序自主制定發(fā)布、由社會自愿采用的標準。

根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的《深化標準化工作改革方案》(國發(fā)【2015】13 號)，改革措施中指出，政府主導制定的標準由6 類整合精簡為4 類，分別是強制性國家標準、推薦性國家標準、推薦性行業(yè)標準、推薦性地方標準；市場自主制定的標準分為團體標準和企業(yè)標準。政府主導制定的標準側(cè)重于?；?，市場自主制定的標準側(cè)重于提高競爭力。同時建立完善與新型標準體系配套的標準化管理體制。在標準制定主體上，鼓勵具備相應(yīng)能力的學會、協(xié)會、商會、聯(lián)合會等社會組織和產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟協(xié)調(diào)相關(guān)市場主體共同制定滿足市場和創(chuàng)新需要的標準，供市場自愿選用，增加標準的有效供給。在標準管理上，對團體標準不設(shè)行政許可，由社會組織和產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟自主制定發(fā)布，通過市場競爭優(yōu)勝劣汰。國務(wù)院標準化主管部門會同國務(wù)院有關(guān)部門制定團體標準發(fā)展指導意見和標準化良好行為規(guī)范，對團體標準進行必要的規(guī)范、引導和監(jiān)督。

目前，在全國團體標準信息平臺(http://www.ttbz.org.cn/)上查詢到與增材制造密切相關(guān)的團體標準共16 項，分別由廣東省增材制造協(xié)會、中國機械制造工藝協(xié)會、廣州市質(zhì)量檢驗協(xié)會、東莞市標準與產(chǎn)業(yè)融合促進會、中國醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會、中關(guān)村標準化協(xié)會等提出，具體如表5 所示(按實施時間先后排序)[9]。此外，根據(jù)公開的消息，中國航空航天工具協(xié)會正在制定包括《增材制造 金屬激光粉末床熔融材料及零件的鑒定與認證》等在內(nèi)的團體標準13 項，可見團體標準正在成為標準制定中的新興力量。團體標準在我國已逐漸成為一套法律體系和制度設(shè)計，對產(chǎn)品質(zhì)量的提升至關(guān)重要。利用好團體標準“快、活、新”的市場化特點和更新靈活迅速的機制特點，已成為推動新興行業(yè)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效方式。

表5 增材制造(3D 打印)相關(guān)團體標準(統(tǒng)計至2019.10)[9]Table 5 Group standard for additive manufacturing (till 2019.10)[9]

續(xù)表

4 結(jié)語

對以上有關(guān)增材制造國內(nèi)外標準制定，發(fā)布的情況進行分析，可以看出以下幾點:

(1)從技術(shù)體系的角度來看，目前包括技術(shù)基礎(chǔ)術(shù)語、材料、設(shè)備、后處理、檢驗、服務(wù)等方面都有一些標準發(fā)布，但框架搭建起來以后，還有待進一步完善，充實。

(2)從原材料的角度來看，有關(guān)航空航天領(lǐng)域的鈦合金、鋁合金、高溫合金等標準較多，非金屬的相對較少，這主要是由工業(yè)生產(chǎn)中的需求牽引決定的。

(3)從工藝上來說，目前主要以粉末床熔融、直接金屬沉積為主，選區(qū)激光燒結(jié)、擠出成型也占了一部分，這與原材料的工藝匹配關(guān)聯(lián)很大。

(4)從國內(nèi)外的標準對比情況來看，國外的增材制造標準化工作起步較早，發(fā)布的標準較多，內(nèi)容規(guī)定詳盡，質(zhì)量也很高；為順應(yīng)技術(shù)發(fā)展潮流，2016 年成立了全國增材制造標準化技術(shù)委員會(部分活躍的分支甚至成立了分委員會及工作組)，為增材制造國內(nèi)標準的制定提供了組織上的保障；為與國際接軌，國內(nèi)在增材制造技術(shù)基礎(chǔ)術(shù)語方面參考了國外標準，但在具體細分領(lǐng)域走出了自己的路子，近幾年發(fā)展勢頭迅猛。尤其是開放團體標準制定權(quán)限后，業(yè)內(nèi)人士熱情高漲，積極性大幅提升，近年來制定了多項團體標準，有力促進了業(yè)界的資源整合和技術(shù)提升。在這個背景下，對標準制定的內(nèi)在質(zhì)量也需要密切關(guān)注。

總之，國外在增材制造標準制定領(lǐng)域走在前列，國內(nèi)在參考借鑒的同時近年來也在努力趕超。標準的制定和執(zhí)行需要學術(shù)界、企業(yè)界和用戶保持密切溝通和合作，并隨時關(guān)注技術(shù)發(fā)展的前沿和最新動向，在業(yè)界的共同努力下，促進標準體系的完善，產(chǎn)品質(zhì)量的提高和技術(shù)的進步。