国内外增材制造标准化发展现状与建议
时间：2024-09-26 09:55 来源：机械工程材料 作者：admin 阅读：次
工作单位：上海材料研究所有限公司，上海市工程材料应用与评价重点实验室
来源：《机械工程材料》2024年6期
增材制造（3D 打印）技术是以数字模型为基础，通过材料逐层堆积的方式制造零部件的新兴制造技术，其凭借复杂结构近净成形的优势，成为引领“第三次工业革命”的关键技术之一。近年来，增材制造产品在航空、航天、医疗、汽车、模具、机电等领域相继出现示范性应用，标志着增材制造技术已逐步走向成熟，成为现代制造业快速优化转型和向工业4.0稳步迈进的重要驱动力。
随着增材制造技术日臻成熟，增材制造相关产业迎来快速发展，面临的标准化问题也日益凸显。 标准作为产业发展过程中不可或缺的新技术进步要素，对推动制造业高质量发展和产业升级具有关键性作用。欧美等发达国家和地区一直非常重视增材制造标准体系的建设，各自成立了如美国材料与试验协会增材制造技术委员会（ASTM F42）、欧洲标准委员会（CEN）、英国标准协会（BSI）、德国工程师协会（VDI）、荷兰标准化学会（NEN）等标准组织机构，在增材制造专用术语、专用材料、测试方法、过程控制和零件设计等5 个方面开展了大量的标准制定工作，推动着增材制造技术创新和产业发展。 我国也积极开展增材制造标准化工作，于2016年4月成立了全国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC 562），负责国家标准的制定。但是目前，相比国外完整的增材制造产业链和完善的相关标准体系，我国仍存在增材制造标准缺失、国际标准跟踪和转化滞后等问题，因此需加倍重视增材制造标准化工作，以规范增材制造行业秩序，指导增材制造行业发展。
为了更好地促进标准对增材制造产业发展的引领作用，作者梳理了国内外增材制造标准体系框架，总结了国内外增材制造标准发布情况，结合实际情况，分析了国内增材制造标准化工作的发展趋势，为推动我国高质量增材制造标准体系建设、关键技术标准和自主标准制定，提供科学合理的发展建议。
1 国际增材制造标准体系框架
国际标准化组织（ISO）于2011年成立了增材制造标准化技术委员会（ISO/TC 261），并于当年就与ASTM F42签署合作协议，共同开展增材制造技术领域的标准化工作。为了减少重复性工作，提高企业与制造商对增材制造相关产品的认可度，推进全球增材制造标准化工作的顺利进行，ISO/TC261与ASTM F42于2016年联合发布了《全球增材制造标准的框架》，如图1所示。该框架将增材制 造标准分为通用增材制造标准、分类增材制造标准和专用增材制造标准3个大类。顶层的通用增材制造标准是围绕增材制造所涉及的各种概念、一般测试与检验要求和产品常见应用范围来制定的；分类增材制造标准对不同材料、不同工艺下增材制造产品的生产与检测进行规范；专用增材制造标准则对具体材料、具体工艺在各个行业中的具体应用作出要求。
图 1 ASTM F42 和 ISO/TC 261 联合发布的《全球增材制造标准的框架》
2 国际增材制造标准发布情况
目前，国际上已发布了200余项增材制造相关标准，内容涉及设计、制造、加工、检测等多个方面，部分重要标准列于表1。值得注意的是，针对相同对象，不同组织制定标准的侧重点不同。ISO制定的标准多为适用范围广、可用性强的通用标准和分类标准，主要考虑全球范围内增材制造技术的标准化使用；ASTM 单独制定的（非联合）标准多为专用标准，集中在金属粉末的粉末床熔融技术领域，而通用标准则主要为数据格式类和设计指南类等；美国宇航材料规范（AMS）是由美国汽车工程师协会（SAE）下设的航空航天材料委员会制定的材料标准，其涵盖的专用标准占比较，主要针对应用于航空航天领域的金属增材制造粉末及工艺，对材料化学成分 的把控要求很高。
△表1 不同组织制定的部分增材制造标准
分析发现，国外标准的制定注重价值链各节点间联系，强调从设计到验收全流程闭环。此外，国外标准化工作的快速推进一方面得益于标准制定组织与企业或高校的深度合作，以实际需求指导各领域标准制定；另一方面得益于企业或团体自发地根据生产中出现的实际问题来制定标准。例如，随着增材制造模型精度的逐步提高，目前应用最广泛的立体光刻（STL）文件无法满足高精度打印的要求，为此，Microsoft、Hewlett Packard、Shapeways、Autodesk、Dassault Systèmes、Netfabb与SLM Solutions等7家公司在2015年4月成立了3MF联盟，着手制定用于增材制造设计的3MF文件；相比STL文件，3MF文件可提供包括颜色、材质和纹理在内 的更多模型信息。截至2022年，3MF联盟已发布了5项标准，推动了国外增材制造标准化发展。
国内增材制造标准制定工作可以借鉴国外的经验与成果，先构建和完善标准体系框架，对标准进行精确分类，确定各项标准制定的优先度，同时结合国内实际情况进行改善，以国家标准制定为主，各行业、各地方、各团体按需制定标准为辅，共同推动国内增材制造标准化进程。
3 国内增材制造标准体系框架
我国对增材制造标准制定工作高度重视，于2014年成为ISO/TC 261的正式（P）成员国，并在参加国际标准制定的同时，也成立了SAC/TC 562，主要负责术语、定义、工艺方法、测试方法、质量评价、 软件系统及相关技术服务等领域国家增材制造标准制修订工作，旨在加强标准制定和实施，通过“标准化+先进制造”，力争把我国增材制造技术优势转化为国际竞争力。此外，国家标准化管理委员会、工信部、科技部、教育部等部门印发了《增材制造标准领航行动计划（2020—2022年）》，提出到2022年，基本建立立足国情、对接国际的增材制造新型标准体系，明确了增材制造标准的指导作用。
为了更好地顺应增材制造技术发展，SAC/TC 562成立了1个分技术委员会和3个专业工作组，分别为测试方法分技术委员会（SAC/TC 562/SC 1）、专用材料工作组（SAC/TC 562/WG 1）、数据和设计工作组（SAC/TC 562/WG 2）、培训和服务工作组（SAC/TC 562/WG 3），并立足于我国增材制造技术成熟度和标准化工作进程，推出了国内增材制造标准体系框架，如图2所示。我国增材制造标准体系框架将标准分为基础共性标准、关键技术标准以及服务和培训标准三大类，此三大类标准都将逐步 落实到行业应用标准中。基础共性标准旨在规范增材制造行业，减少不同组织和机构之间的交流障碍，保障从业人员的健康与安全，营造良好的工作环境， 其内容包括术语、定义、设计图格式等。关键技术标准主要针对原材料、工艺、设备、软件和测试方法来制定准则：原材料标准用于准确描述不同增材制造技术所用原材料的理化性质，例如金属粉末的粒度分布等；工艺标准用于明确各种工艺的步骤与细节，提高产品稳定性；设备标准用于确保设备可靠性和从业人员安全性；软件标准主要用于规范设计与文件导入，提高模型通用性；测试方法标准用于统一 材料性能测试方法，使测试结果更直观与可靠。服务和培训标准主要涉及增材制造从业人员的能力培训，例如采购标准要求交易双方均明确所需商品的定义信息、原料参数和最终性能等参数，该类标准的制定和应用可以极大程度地避免客户与供货商之间的矛盾纠纷，维持良好的市场环境。
图 2 SAC/TC 562 发布的国内增材制造标准体系框架
4 国内增材制造标准发布情况
截至2023年，全国标准信息公共服务平台上起草、征求意见、审查、批准、即将实施与现行的增材制造相关标准共有100项，其中由国家标准化管理委员会管理并实施/推进的标准有近70项，其内容涵盖基础共性标准及具体的行业应用标准等，主要以材料类标准为主导，如图3所示，部分重要标准列于表2。
图3 增材制造国家标准类别占比
表2 部分增材制造国家标准
在基础共性标准中，以GB/T 35351—2017《增材制造术语》为例进行介绍，该标准统一规范了增材制造涉及到的概念、工艺、应用以及属性方面的术语和定义，将增材制造根据工艺分为了黏结剂喷射、 定向能量沉积、材料挤出、材料喷射、粉末床熔融、 薄材叠层和立体光固化等七大类，与国际主流分类法相统一。
在检测类标准中，已发布标准以增材制造金属粉末的性能表征方法和增材制造制件尺寸精度与力学性能评价方法为主，制定中标准以无损检测标准居多。
在专用材料类标准中，已发布与制定中的标准已基本覆盖了现有的大部分增材制造用金属材料， 主要是粉末床用金属粉末原材料，应用最为广泛的有铝合金粉末、钛合金粉末、钴铬合金粉末、镍基高温合金粉末和模具钢粉末。该类标准也涵盖了行业关注度高的金属粉末包装、标志、运输、贮存以及再利用等相关规范。此外，从现行标准可以看出，我国增材制造材料标准目前多针对金属材料，非金属材料的相关标准仍需要进一步完善。
在关键技术类标准（包括工艺标准与技术标准）中，已发布标准主要以粉末床熔融、定向能量沉积、 能量沉积‒铣削复合等增材制造工艺与技术规范为主。例如，GB/T 39247—2020《增材制造金属制件热处理工艺规范》属于关键技术标准中的后处理部分，规定了对增材制造金属制件进行热处理的一般要求、过程控制、检验以及文件管理，推荐了一些常见的增材制造金属制件热处理方式，如TC4 钛合金的固溶时效工艺和退火工艺，为获得性能稳定的增材制造金属制件提供参考；GB/T 43233—2023《增材制造系统可能性和可靠性航空航天用金属材料激光粉末床熔融设备验收试验》，其最主要的内容是对航空航天行业中激光粉末床熔融设备的鉴定试验流程进行规范，包含一般要求、激光束试验、机械功能试验、加热系统、成形室内气氛、数据记录、安全系统、可选试验与再鉴定等，并给出了试验报告的格式参考，根据该标准对相关设备进行验收大大提高了鉴定工作的可靠性，目前已落实到行业中。
在数据与设计类和服务类标准中，以GB/T 37461—2019《增材制造云服务平台模式规范》为例进行说明，该标准对制造服务模式、在线设计与制造服务模式、委托设计与制造服务模式和在线选购服务模式中的基本流程、消费者交易订单与平台生产订单要求、增材制造生产服务商筛选机制要求、 消费者对产品和服务评价要求等进行了规范，为实现平台建设各项功能提供了宝贵建议，打通了生产端与消费端之间的壁垒，促进了增材制造云服务平台规范化，使平台能为消费者和厂商提供更好的服务。这两类标准的制定与实施对我国增材制造向一体化、轻量化方向发展起到重要作用，是我国智能制造、数字化制造变革过程中的重要一步。
除了增加增材制造国家标准数量，完善增材制造国家标准体系框架，我国也致力于通过国际化加强在国际范围内的话语权和影响力。2021年发布 了由我国主导立项的国际标准ISO/IEC 23510:2021《信息技术3D打印和扫描增材制造服务平台 （AMSP）架构》；该标准的发布实现了我国增材制造国际标准制定领域零的突破，扩大了影响力，反映了我国在增材制造标准化方面的长足进步。而且，国际标准ISO/ASTM 52902也把由我国提出的增材制造成形精度检测方法纳入其中。截至2022年， 累计有70多位中国专家学者参加ISO/TC 261国际会议，并进行了近200次国际标准相关投票，我国在增材制造国际标准化工作中的重要性愈发突出。
在积极推进国家标准国际化的同时，我国也不断发展完善着增材制造领域的行业、地方和团体标准，如行业标准中的机械标准JB、航天工业标准QJ、医药标准YY、航空工业标准HB等。截至2023年， 增材制造行业、地方和团体标准共发布超过了140项，其中适用于医疗领域的标准最多，共计62项。由图4可知：医疗行业标准中以辅助装置和植入物类标准居多，这得益于增材制造复杂结构近净成形的优势。行业、地方和团体标准的制定和实施很好地体现了增材制造领域的发展特性，推动着我国增材制造标准化工作的发展。
5 结束语
增材制造是智能制造的重要组成部分。随着增材制造技术与产业的日臻成熟，为了推动增材制造产品从“可制造”到“可使用”再到“安全稳定使用” 的跨越，不断促进增材制造制件在航空、航天、电子信息、医药等领域的规模化应用以及全产业链的健康稳步发展，增材制造标准的制定与实施迫在眉睫。目前，国际增材制造标准体系框架将增材制造标准分为通用增材制造标准、分类增材制造标准和专用增材制造标准；国内增材制造标准体系框架将增材制造标准分为基础共性标准、关键技术标准以及服务和培训标准，并提出要将此3类逐步落实到行业应用标准中。目前，国内增材制造标准化工作的发展趋势为完善国家标准体系框架，推进国家标准国际化，不断推动增材制造领域的行业标准、地方标准和团体标准的制定和实施。
《增材制造标准领航行动计划（2020—2022年）》明确指出要“构建和完善增材制造标准体系”，从当前增材制造技术创新和产业化需求出发，科学研判未来发展趋势，加快构建和完善我国增材制造标准体系，对标国际适用的增材制造标准化体系框架和发展路线图。对比现行的国际标准和国内标准可知，虽然我国在增材制造标准化方面已取得了众多重要成果，但还有许多地方需要进一步完善。为此，对我国增材制造标准体系建设提出以下建议：
（1）以行业需求为牵引，不断完善增材制造国家标准体系。关键技术标准中数据和设计类标准较少； 原材料类标准以金属及其合金为主，有关非金属材料的标准相对较少；工艺和设备类标准中对于除粉末床熔融与直接金属沉积之外的其他增材制造工艺相关标准的制定还需进一步加；测试方法类标准仍然缺乏规模化应用。
（2）针对特定行业的特殊发展需求，在完善国家标准的同时，大力推动有引领性、竞争性的团体标准建立。通过团体标准的制定和实施，规范增材制造各应用领域的发展，满足航空、航天、船舶、轨道交通装备、汽车、核工业、电力装备、生物医疗、家电、 模具、铸造等具体行业的特殊应用标准需求。
（3）大力发展增材制造标准相关人才培养体系的建设。充分结合2023 年发布的《标准化人才培养专项行动计划（2023—2025年）》，建立标准化人才职业能力评价机制，培养一批标准编审、实施和服务能手，不断提升增材制造标准的专业化程度，促进我国增材制造标准的健康稳定发展。
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