全球視角：目前已建立的金屬3D打印標準有哪些

隨著金屬增材制造逐步轉向工業(yè)生產(chǎn)，對覆蓋技術各方面的國際標準的需求也變得越來越迫切。來自Fraunhofer IFAM的Claus Aumund-Kopp和Frank Petzoldt回顧了國際標準的過往，總結了現(xiàn)有的金屬增材制造標準，并對未來可能遇到的挑戰(zhàn)進行了思考。

隨著一項技術發(fā)展，且越來越多地得以應用，行業(yè)就需要針對其技術術語和工藝細節(jié)達成一定的共識。如今，金屬增材制造已步入產(chǎn)業(yè)化階段，特別是牙科和航空航天業(yè)已經(jīng)進入商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，更需要材料性能、測試程序等方面的標準。標準化主要是靠主要利益相關者參與全球各種標準化委員會來實現(xiàn)的，是一項極為耗時的工作。最終，無論是機器、粉末制造商，還是零件制造商和終端用戶都將受益于這些標準，因為標準即意味著這項技術的可靠性。本文列出了迄今為止不同組織發(fā)布的增材制造標準(如圖1)，指出了為何增材制造實現(xiàn)標準化如此重要，并強調了國際標準的必要性。

圖1.增材制造國際標準化年表

現(xiàn)狀
增材制造正在改變全球各個行業(yè)，各種類型的公司也都看到了這項技術所帶來的大量突破性機會。當然，這項技術還將面臨許多挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)金屬成型工藝相比，特別需要注意制造工藝參數(shù)與材料性能間的重大關系。不同機器系統(tǒng)和生產(chǎn)條件可能導致不同的屬性，這都需要考慮到。此外，材料性能與原材料也密切相關，如金屬粉末，原材料會在制程窗口與一組參數(shù)結合。了解這一點后，驗證性能并建立強大可靠的生產(chǎn)工藝對增材制造而言至關重要，還需根據(jù)檢查和驗證規(guī)則制定質量管理體系。由于缺乏相關標準，目前大多數(shù)采用增材制造技術生產(chǎn)終端零件的公司都建立了自己內部的材料和工藝指南。因此，提高工藝知識和制定共同技術標準非常重要。另外，設計標準也有助于推廣增材制造，畢竟如今大多數(shù)CAD工具都沒有充分利用增材制造這項技術。

標準的設立有助于提高事物的接受程度，特別是像金屬增材制造這樣的新制造工藝。增材制造是一項需要國際標準的全球性工藝。標準化有助于促進國家、地區(qū)和國際之間的技術和經(jīng)濟合作。目前已有幾個國家和區(qū)域開始了相關的標準設定。

國際標準化組織(ISO)和美國材料與試驗協(xié)會(ASTM International)這兩個國際機構在全球范圍內準備、制定和出版與增材制造相關的標準(更多信息參見插圖)。 歐洲標準化委員會(CEN)也成立了區(qū)域性的增材制造標準化委員會。 另外還有一些國家和地區(qū)也推出了相關的標準化和指導方針，如英國標準協(xié)會(BSI)和法國標準化協(xié)會(AFNOR/UN)，德國標準化學會(DIN)與德國機械設備制造業(yè)聯(lián)合會(VDMA)、德國工程師協(xié)會(VDI)也合作出版了增材制造相關標準。

美國材料與試驗協(xié)會委員會

•成立于2009年
•范圍：制定增材制造技術標準，推廣知識，刺激研究和技術實施
•成員：各階層領域代表，如公司、大學、研究機構等
•一組織一票
•目前，代表23個國家的400多名個人成員

國際標準化組織技術委員會

•成立于2011年
•范圍：關于增材制造的流程，術語和定義，工序鏈(軟硬件)，測試程序，質量參數(shù)，供應協(xié)議以及各種基本原理的標準化
•成員資格以不同國家標準化組織的代表為基礎，每個成員組織可以提名不同領域的專家
•一組織一票
•目前有20個參與國與5個觀察員。

圖2. 增材制造各種不同的術語

表1. 已有的金屬增材制造標準

2009年，美國材料與試驗協(xié)會成立增材制造技術委員會。同年，德國和英國也成立了相關委員會。國際標準化組織則是在2011年成立了技術委員會，這兩大組織在2013年7月定下了聯(lián)合標準制定計劃。

歐洲則是在2012年才開始，如增材制造標準化支持行動(SASAM)就是由歐盟資助的框架計劃中的一個項目。這個項目旨在通過一些整合和協(xié)調標準化并解決生產(chǎn)問題的活動來推動增材制造的發(fā)展。整個項目在2014年4月結束，涵蓋了利益相關者的要求，成為了增材制造標準化的路線圖。

2013年3月，歐洲電工標準化委員會(CENELEC)與歐洲標準化委員會(CEN)成立了增材制造STAIR-AM平臺，集中討論與增材制造相關的研究、服務供應商和全球標準化組織的事宜。之所以稱之為增材制造平臺，是因為這是一個專門研究增材制造的歐洲網(wǎng)。基于該AM平臺的討論將持續(xù)下去，該平臺由一個歐洲國家網(wǎng)組成，致力于增材制造領域的研究議程。

2015年7月，CEN/TC 438委員會成立。它的主要目標和重點是標準化增材制造(AM)過程、生產(chǎn)鏈(含軟硬件)、測試程序、環(huán)境問題、質量參數(shù)、供應協(xié)議以及一些基本術語的應用。為了確各項目的一致性并與國際標準接軌，其首要任務是發(fā)布EN ISO標準。

各工作組的工作都在緊鑼密鼓的進行當中。然而，協(xié)調現(xiàn)有的各種標準并形成一套國際通用的增材制造標準，是一個巨大的挑戰(zhàn)。到目前為止，已經(jīng)發(fā)布的有關增材制造的標準有以下幾個方面：

術語以及數(shù)據(jù)格式
材料
測試
表1給出了關于增材制造行業(yè)已發(fā)表的標準的一份概述。本文的目的是對現(xiàn)有的增材制造行業(yè)標準做一個簡明的概述，下文中將會列出涉及到的每個標準的簡短摘要。

術語
術語是整個標準化過程中的第一個項目，因為增材制造技術中有許多不同的術語以及縮寫，并且涉及了制造過程的方方面面。對整個增材制造領域來說，更為通用的術語是3D打印，而這一術語的廣泛使用，則是受到了低成本家用3D打印機的影響。事實上增材制造所指的是生產(chǎn)可直接供終端用戶使用的部件，以及更加復雜的金屬部件制造過程。

ISO/ASTM 52900:2015
該標準建立并定義了增材制造技術使用的術語，它指應用增材成型的原理，由此通過連續(xù)添加材料來建立物理三維幾何體。現(xiàn)有的術語已經(jīng)被劃分至特定的應用領域，而在IOS/TC 261以及ASTM F42標準下產(chǎn)生的新術語將會被包含在即將修訂的國際標準概述中。

ISO/ASTM 52921:2013
該標準包括增材制造技術中的術語、術語的定義、術語的描述、有關坐標系統(tǒng)和測試方法的命名法以及縮寫形式，以此來標準化增材制造過程中使用的術語。其應用面涉及增材制造的使用者、生產(chǎn)者、研究人員、教育工作者、媒體工作者及其他領域的人員。涵蓋的術語包括機器/系統(tǒng)及其坐標系統(tǒng)的定義以及零件的位置和方向，規(guī)定整套系統(tǒng)的目的在于和ISO 841標準相兼容，并闡明這些術語在具體情況下的應用方式。

ISO 17296-2:2015
本標準描述了增材制造的工藝流程基礎，同時概述了現(xiàn)有的工藝類別，描述了后續(xù)標準的越級原則。由于新技術的不斷發(fā)展，這些工藝類別并不是詳盡無遺的。ISO 17296-2：2015為我們解釋了不同的工藝類別，是如何使用不同材料來打造產(chǎn)品的幾何結構的。與此同時，它也描述了同一材料在不同工藝中的應用。通過不同工藝組合和原料生產(chǎn)的部分原料以及要求規(guī)范將會在隨后的標準中單獨給出，因此不包括在此標準中

VDI 3405
該標準是針對增材制造工藝的使用者以及生產(chǎn)者制定的。它涵蓋了用于增材制造的部件的設計、制造以及評估的考量因素，并定義了其應用范圍。該標準詳細指明了制造過程中的術語以及定義，主要針對涉及的制造過程中的基本原則。本標準包含相關的質量參數(shù)，詳細說明了原件測試和供應協(xié)議制定的規(guī)則。它還包括安全相關、環(huán)境相關的內容。由于該指南假定讀者對于不同的增材制造過程都有一定的了解，所以整體內容的解釋都是點到為止。

數(shù)據(jù)格式
數(shù)據(jù)格式的標準化是針對增材制造工藝及相關軟件系統(tǒng)的用戶和生產(chǎn)者指定的。它適用于任何增材制造工藝，尤其是以下領域：
增材制造系統(tǒng)及工具(包括軟件系統(tǒng))的生產(chǎn)
涉及軟件工程師的CAD/CAE系統(tǒng)
逆向工程系統(tǒng)開發(fā)人員
需要比較實際幾何結構與所需求的幾何結構的測試機構

ISO 17296-4:2014
ISO標準17296-4:2014主要適用于增材制造中的數(shù)據(jù)交換。它規(guī)定了增材制造過程中的術語與定義，使得不同過程間描述幾何結構、部件的數(shù)據(jù)能夠自由的轉換，來保證增材制造可以順利進行。數(shù)據(jù)交換方法列舉了文件類型、數(shù)據(jù)封裝格式以及其用途。ISO標準 17296-4:2014指定了數(shù)據(jù)交換中適用的數(shù)據(jù)格式，介紹了現(xiàn)有的增材制造中3D幾何的發(fā)展，概述了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)格式，并且保證了國際標準用戶的數(shù)據(jù)交換得以正常進行。

ISO/ASTM 52915:2016
該標準指定了增材制造文件格式(AMF)的規(guī)范，AMF是一種用來解決當前以及未來增材制造技術需要的交換格式。一旦滿足了本規(guī)范的要求，AMF就可以被編寫、顯示并進行傳輸。以結構化的電子格式進行編寫時，必須嚴格遵守可拓展標記語言(XML)模式，來支持符合標準的互操作性。但是人們漸漸認識到，本國際標準的現(xiàn)行版本仍舊不能完全涵蓋與最后產(chǎn)品有關的其他信息。為確保數(shù)據(jù)的完整性、電子簽名以及加密的安全性，ISO/ASTM 52915:2016不指定任何的顯式機制。

圖3 兩種不同粉末呈現(xiàn)的流動

圖4 激光熔凝試樣

材料
材料及其標準化對利用增材制造生產(chǎn)的過程的可靠性以及生產(chǎn)組件的可靠性是非常重要的。作為原材料，金屬粉末需要經(jīng)過專門的處理和加工，粉末性能的偏差對加工出的零部件的性能會有著很大的影響。如圖3所顯示的兩種不同粉末所呈現(xiàn)出的不同的流動方式，對于增材制造會有一定的影響。

ASTM F2924-14
該標準適用于采用增材制造生產(chǎn)的titanium-6aluminum- 4vanadium (Ti-6Al-4V)組件，該組件采用全熔粉體熔化成形技術制造，例如電子束熔化和激光熔化。它介紹了1、2、3類零件的組分、原料的分類以及各組分的顯微結構。該規(guī)范還確定了部件的機械性能、化學成分和最小拉伸性能。

ASTM F3001-14
本標準提出了titanium-6aluminum- 4vanadium (Ti-6Al-4V)組件增材制造的超低間隙要求，(Ti-6Al-4V ELI)組件采用全熔粉體熔化成形技術制造，例如電子束熔化和激光熔化。該標準涵蓋了材料、分類排序信息、生產(chǎn)計劃、原料、工藝、化學成分、顯微組織、力學性能、熱處理、熱等靜壓、尺寸和質量、允許偏差、二次測試、檢查、廢棄物、產(chǎn)品標識、包裝和質量計劃要求。

ASTM F3055 - 14a
該標準適用于通過增材制造生產(chǎn)的NS N07718(2.4668-NiCr19NbMo)組件，該組件采用全熔粉體熔化成形技術制造，例如電子束熔化和激光熔化。使用這些工藝生產(chǎn)的部件通常用于需要的機械性能類似于機械加工鍛件和粗加工產(chǎn)品的應用中，根據(jù)本規(guī)范制造的零件通常會通過機械加工、磨削、電火花加工、拋光等加工方式來達到預期的表面光潔度和尺寸。

本標準是為增材制造生產(chǎn)的UNS N07718組件的購買者或生產(chǎn)者而提出的，它規(guī)定了組件的要求并確保了組件的性能。

ASTM F3056 - 14e1
ASTM F3056 - 14e1標準涵蓋了增材制造的UNS N06625 (2.4856 - NiCr22Mo9Nb)元件，使用像電子束和激光融化之類的全粉床融化工藝，這些元件的機械性能通常要求類似于加工鍛件和鍛軋件，按照該規(guī)范所生產(chǎn)出來組件通常(但也并非必須)需要進行后處理，通過機加工、研磨、電火花加工(EDM)、拋光等手段使表面光潔度和嚴苛的尺寸達到理想狀態(tài)，目的是為了讓購買者或生產(chǎn)者(或兩者)使用增材制造的UNS N06625元件來定義需求，以確保元件的屬性。

VDI 3405 Part 2.1:2015-07
此項標準是根據(jù)標準VDI 3405第2部分進行編譯的，涉及到金屬零件的電子束熔融增材制造技術，還包括1.2709工具鋼(馬氏體時效鋼)的材料數(shù)據(jù)。

該標準(VDI 3405 Part 2.1)包含鈦合金AlSi10Mg增材制造部件的材料特性數(shù)據(jù)，經(jīng)過循環(huán)測試而獲得。測試程序和方法在VDI 3405 Part 2中描述過。因為所有的程序和方法符合公認的行業(yè)標準，將特征值與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝進行比較也是可能的。

測試
關于測試程序，已經(jīng)發(fā)布了幾個標準。對不同的增材制造部件進行比較時，基本原則是很重要的。圖4顯示了為進一步測試設立的范本，由激光熔融生產(chǎn)。ISO/ ASTM 52921:2013標準已經(jīng)被覆蓋在在這篇關于術語的報告中

ASTM F2971 – 13
它描述了一個標準程序，用于報告通過測試或評估增材制造生產(chǎn)樣本產(chǎn)生的結果，這種做法為展示AM樣本的數(shù)據(jù)提供了一個通用格式，目的有兩個：為報告需求建立進一步的數(shù)據(jù)，以及為材料屬性數(shù)字庫的設計提供信息。

該標準的設立是因為每種AM方法和每種設備擁有獨特的變量，它對報告用于測試、評估的樣本在準備、加工和后處理過程中的標準描述至關重要。本標準的目的是為了保證與每個測試或評估的樣本相關的材料和加工歷史文檔保持一致性。文件的細節(jié)級別和應用相匹配。

這種做法為材料和加工數(shù)據(jù)報告建立了最低數(shù)據(jù)元素需求，目的是：
•將測試樣本的描述和測試報告標準化
•將AM材料數(shù)據(jù)庫標準化以協(xié)助設計師
•通過測試和評估來增加材料的可追溯性
•獲取AM樣本性能關系的屬性參數(shù)，使預測模型和其他計算方法成為可能。

ASTM F3049 – 14
此標準向讀者介紹了金屬粉末技術，其特性可能對于噴射、定向能量沉積粉末床熔融等基于粉末的增材制造方法有用，它指的是其他、現(xiàn)有的標準，可能適用于對原始粉末以及增材制造使用后的金屬粉末處理的描述。

這篇文章的目的是為了給增材制造粉末的買家、供應商或生產(chǎn)商提供現(xiàn)有的標準參考，或者一些現(xiàn)有的也許可以描述出增材制造金屬粉末屬性的標準。

它將會是未來形成一套專門標準測試方法的起點，將記錄下每個單獨的屬性或屬性類別，這對金屬增材制造系統(tǒng)和元件的性能來說很重要。雖然這個標準關注的是金屬粉末，但涉及的方法也可能適用于非金屬粉末。

ASTM F3122 – 14
本標準作為現(xiàn)有標準或現(xiàn)有標準變化形式的一個指導，這種變化可能適用于確定增材制造材料具體的機械性能。

正如一些標準中所指出的，有一些因素可能會影響到報告的屬性，包括：材料、材料各向異性、材料制備方法、孔隙度、樣品制備的方法、測試環(huán)境、樣品校準和抓取、測試速度和測試溫度。應該把這些因素記錄下來，根據(jù)實踐F2971和引用的標準指導方針，在某種程度上，它們是已知的。

“有一些因素可能會影響到被報告的屬性，包括：材料、材料各向異性、材料制備方法、孔隙度、樣品制備的方法、測試環(huán)境、樣品校準和抓取、測試速度和測試溫度”

ISO標準17296-3:2014包括了測試增材制造部件的基本原則，它指定了部件的主要質量特性，指定了相應的測試程序，為測試范圍、內容以及供貨協(xié)議提供了建議。

ISO 17296-3:2014
它旨在促進機器制造商、原料供應商、用戶、部分供應商和客戶對主要質量特性進行溝通，不管增材制造在哪里使用，都適用于這一標準。

VDI 3405 Part 2
它是標準VDI 3405的補充，描述了在不同增材制造方法中使用的種種材料，這個標準覆蓋了使用增材技術制造的金屬部件測試。

和鑄造、銑等傳統(tǒng)制造方法一樣，增材制造出來的金屬部件有一些關鍵的質量特性，特別是密度、強度、硬度、表面質量、尺寸精度、裂縫去除和結構均勻性，都是增材制造部件需要進行的典型測試。在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的時候，增材制造部件的質量是至關重要的。因此有必要根據(jù)統(tǒng)一的標準來規(guī)范增材制造的流程，標準化過程測試。

VDI 3405 Part 3:2015-12

除去已經(jīng)提到的，與AM相關的設計領域也有一些與標準相關的活動，已經(jīng)發(fā)布的一個標準是VDI 3405 Part 3:2015-12，它描述了激光燒結和激光束熔融部件的設計準則，目前ISO在起草的一個標準是“增材制造設計指南”，目前還只是一個草案。

總結
增材制造是一項可以激發(fā)創(chuàng)新的技術，在世界范圍內一些巨大的投資下，AM正飛速成長。盡管我們對它諸多可能性的探索還處于初期階段，但為了充分挖掘其潛力，收集可用的知識，相互合作是很有必要的。新的商業(yè)模式、先進的生產(chǎn)技術和新服務都在不斷涌現(xiàn)，幾乎每一個行業(yè)都在不同程度上受到了AM的影響，而另一方面，其他的制造方法將與AM共同發(fā)展。

另外，新產(chǎn)品設計是可行的，產(chǎn)品設計師基于特定的制造方法來定義產(chǎn)品的具體需求，為了滿足像材料特性和質量控制問題等需求，有必要將適當?shù)臉藴始�成于產(chǎn)品的開發(fā)過程。標準是技術發(fā)展的重要組成部分，不同的國家和國際組織已經(jīng)出版了一些AM標準，更多的還在路上。

國際合作絕對有益于每個人，相反，相互抵觸的標準對誰都沒好處，因此制定一個世界通用的標準應該是我們的共同目標，全球性的AM標準路線圖可以是一個方向，為了加速一進程，例如現(xiàn)有的可以為AM修改，目前ASTM和ISO已正式建立合作關系，并成功發(fā)布了第一套標準，下一步很有可能將 ISO/ASTM 標準轉化為CEN標準。

通過ASTM, ISO或者國際標準，更多的專家在做出他們的努力，這是很必要的。


更多信息可以從以下列出的網(wǎng)站中獲取
www.afnor.org
www.astm.org
www.bsigroup.com
www.cen.eu
www.din.de
www.iso.org
www.unm.fr
www.vdi.de
www.vdma.org

作者
Prof. Dr.-Ing. Frank Petzoldt,
Deputy Director, and Dipl. Ing.
Claus Aumund-Kopp,
Project Leader &Senior Scientist
Fraunhofer IFAM
來源：3D打印世界