詳細介紹增材制造標準

來源：融融軍民

近年來,，增材制造在航空航天、醫(yī)療、模具等方面的應(yīng)用需求呈現(xiàn)爆發(fā)性增長，在結(jié)構(gòu)減重、性能優(yōu)化,、個性化定制等方面的優(yōu)勢日益凸顯，但作為新興技術(shù),，其產(chǎn)品能否實現(xiàn)工程化應(yīng)用,、產(chǎn)業(yè)規(guī)模能否擴大主要取決于產(chǎn)品質(zhì)量能否滿足用戶要求、能否提升產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的整體綜合效益（包括經(jīng)濟,、性能等諸多方面）,。因此，需要體系化,、全流程,、規(guī)范化的標準來保證產(chǎn)品質(zhì)量、提升應(yīng)用領(lǐng)域的經(jīng)濟效益,，引領(lǐng)并規(guī)范行業(yè)的持續(xù)與健康發(fā)展,。

標準的缺失一直是增材制造工程化應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題，今天就給您帶來詳細解讀,，將增材制造標準“一網(wǎng)打盡”

[注：本文主要以歐美發(fā)達國家標準化進展為主進行介紹]

2002年,，第一份增材制造技術(shù)標準AMS 4999,。2011年修訂為AMS 4999A，并且標準名稱更改為《Ti6Al4V鈦合金直接沉積制件-退火態(tài)》,。

2015年7月,，SAE成立了AMS-AM技術(shù)委員會，負責(zé)編制和維護與增材制造相關(guān)的航空航天材料和工藝規(guī)范標準以及相關(guān)的技術(shù)報告,。2015年10月,，針對關(guān)鍵航空航天應(yīng)用的特殊認證要求，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）委托SAE制定增材制造技術(shù)標準,，以持FAA制定AM材料認證指南,。AMS-AM的主要目標包括:

• 針對原材料及成品材料的采購制定航空航天材料規(guī)范（AMS）；
• 針對航空航天產(chǎn)品制造過程制定推薦慣例,、規(guī)范與標準,；
• 與MMPDS、CMH-17,、NADCAP,、ASTM F42協(xié)調(diào)，推動標準在工業(yè)界的采用,；
• 建立標準（技術(shù)文件）體系,，確保過程受控及可追溯性,，以獲得具有統(tǒng)計意義的材料性能數(shù)據(jù),。
• Standard_AMS-AM
  

截至目前，SAE已經(jīng)發(fā)布及正在制定標準共計30項,，涉及激光及電子束粉末床熔融,、等離子弧熔絲、激光熔絲,、激光直接沉積,、材料熔融擠出工藝，IN625（GH3625）,、IN718（GH4169）,、17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）、Hastelloy X（GH3536）,、Haynes 230（GH3230）,、Ti6242（TA19）、Ti6Al4V（TC4）,、AlSi10Mg（ZL104）,、ULTEM 9085、ULTEM1010等材料,。

ASTM于2009年成立了ASTM F42,，是最早成立的增材制造技術(shù)委員會的標準化協(xié)會組織,。

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,。

目前,，該委員會由來自20多個國家的超過400多個技術(shù)專家組成，其工作是與具有相互或相關(guān)利益的其他ASTM技術(shù)委員會及國家和國際組織協(xié)調(diào)進行的,。2012年,，ASTM F42發(fā)布了F2792-12a 增材制造術(shù)語標準，并于2015年與ISO合作對該標準進行了修訂,，發(fā)布了第一份ISO/ASTM聯(lián)合標準,，對增材制造技術(shù)推廣及產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的術(shù)語與定義進行了規(guī)范。

ASTM F42共建立了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,，同時針對協(xié)會運行及與ISO/TC 261的合作成立的F42.90執(zhí)行委員會及F42.95技術(shù)協(xié)調(diào)組,。

ASTM F42還負責(zé)與ASTM內(nèi)部技術(shù)委員會（包括ASTM B09金屬粉末及制品技術(shù)委員會、ASTM E07無損檢測技術(shù)委員會,、ASTM F04醫(yī)療及骨科材料與設(shè)備技術(shù)委員會等）進行協(xié)調(diào),，共同制定增材制造標準，以形成完善的增材制造標準體系,。

截止目前,，ASTM F42已經(jīng)發(fā)布及正在制定標準共計50項；ASTM E07正在開展“航空航天用增材制造金屬件的無損檢測指南”以及“金屬增材制造航空航天零件成形期間的在線監(jiān)測指南”兩項標準編制；ASTM F04正在開展“粉末床熔融制備醫(yī)療產(chǎn)品中增材制造殘余物去除的評估指南”,。

國際標準化組織（ISO）于2011年創(chuàng)建ISO/TC 261增材制造標準化技術(shù)委員會,，它的工作范圍是：在增材制造（AM）領(lǐng)域內(nèi)進行標準化工作，涉及相關(guān)工藝,、術(shù)語和定義,、過程鏈（硬件和軟件）、試驗程序,、質(zhì)量參數(shù),、供應(yīng)協(xié)議和所有的基礎(chǔ)共性技術(shù)。ISO/TC 261創(chuàng)建當年就與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,。2013年，ISO/TC 261與ASTM F42共同發(fā)布了一份“增材制造標準制定聯(lián)合計劃”,，該計劃包含了AM標準的通用結(jié)構(gòu)/層次結(jié)構(gòu),，以實現(xiàn)由任何一方所發(fā)起的項目都能實現(xiàn)一致性。增材制造標準制定計劃被認為是一份動態(tài)更新的文件,，將由ISO / TC 261和ASTM F42定期審查和更新,。2016年，又對該結(jié)構(gòu)進行了修訂,。

依據(jù)于“增材制造標準制定聯(lián)合計劃”,，ISO / TC 261和ASTM F42確定了潛在的聯(lián)合AM標準開發(fā)的高優(yōu)先級候選清單如下：

• 資格鑒定和認證方法
• 設(shè)計指南
• 原材料特性的測試方法
• AM零件機械性能的測試方法
• 材料回收（再利用）準則
• 輪循測試的標準協(xié)議
• 標準測試樣件
• 采購AM零件的要求
  

確定項目后， ISO和ASTM又根據(jù)他們之間達成的協(xié)議,，確定了ISO / TC 261和ASTM F42如何在實際意義上合作和協(xié)同工作的具體程序,，包括：成立聯(lián)合工作組及聯(lián)合指導(dǎo)小組、如何召開聯(lián)合工作組會議,、標準編制過程的要求,、標準的審查與投票程序、標準的文本結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)有和后續(xù)標準項目如何完成等,。這些方面大大提升了在全球范圍內(nèi)制定增材制造標準的科學(xué)性、合理性及高效性,，促進了全球增材制造標準體系的完善,。

目前，ISO TC261和ASTM F42編制中的標準40余項,，從增材制造的材料與工藝,、測試方法、設(shè)計,、安全防護等多方面開展標準化工作,，進一步完善增材制造標準體系，對于增材制造標準化工作起到了重要的作用與意義。

美國NASA宇航局針對航空航天對于增材制造產(chǎn)品應(yīng)用及質(zhì)量穩(wěn)定性的要求,，由馬歇爾航空航天中心制定并發(fā)布了MSFC-STD-3716與MSFC-SPEC-3717,。

MSFC-SPEC-3716是金屬激光粉床熔融增材制造航空航天產(chǎn)品標準規(guī)定了增材制造過程控制的基本要求及研制與生產(chǎn)中的關(guān)鍵控制點（如圖所示）

通過MSFC-STD-3716，NASA實現(xiàn)了：

• 對基礎(chǔ)及零件生產(chǎn)過程控制進行定義,，用于對L-PBF技術(shù)當前狀態(tài)相關(guān)的風(fēng)險進行管理,；
• 向認可工程組織（CEO）及當局提供產(chǎn)品一致性證明，評估每個L-PBF零件的風(fēng)險及控制的合規(guī)性,。
  

MSFC-SPEC-3717金屬激光粉床熔融增材制造冶金過程控制與鑒定規(guī)范則用于定義L-PBF中的基礎(chǔ)過程控制方面的程序要求,，包括：

• L-PBF冶金過程的定義與鑒定要求；
• 設(shè)備及設(shè)施的維護,、校準及鑒定要求,；
• 操作人員培訓(xùn)要求。
  

NASA認為AM是獨特的材料產(chǎn)品形式,，并要求在每臺AM設(shè)備上進行冶金過程鑒定,，以保證AM生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性及可追溯性。

德國在增材制造技術(shù)及設(shè)備研究方面一直走在世界前列,，德國航空航天標準化協(xié)會（DIN）與德國工程師協(xié)會（VDI）針對于增材制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用制定了相應(yīng)的標準,。

— VDI目前已發(fā)布了及正在制定的標準達20項，涉及術(shù)語定義,、材料鑒定,、質(zhì)量控制、設(shè)計準則,、操作安全,、材料數(shù)據(jù)表等多個方面。DIN是老牌的航空航天標準化協(xié)會,，ISO TC 261的秘書處就落在DIN,。

— DIN除了積極參與國際標準化組織、歐洲標準化組織的相關(guān)標準制定之外,，還依據(jù)于德國本身技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的需求,，制定了激光粉末床熔融增材制造設(shè)備驗收、操作人員鑒定,、粉末材料,、零件檢測及成形技術(shù)規(guī)范等標準，正在開展成形制品機械性能,、非燃燒壓力容器,、電弧定向能量沉積、金屬材料使用指南等標準,，目前已發(fā)布及正在制定的標準已有10余項,。

ASME Y14.46-2017（trial）是美國機械工程師協(xié)會針對于增材制造技術(shù)特點發(fā)布的,、關(guān)于增材制造產(chǎn)品定義的一份試用標準、該標準規(guī)范了增材制造技術(shù)特有的術(shù)語和特征定義,，并推薦在產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)集和相關(guān)文檔中進行統(tǒng)一規(guī)范,。該標準主要規(guī)范了增材制造產(chǎn)品的幾何特征定義；晶格結(jié)構(gòu),、梯度結(jié)構(gòu),、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)等設(shè)計特征定義；零件位置與取向,、鋪層厚度,、掃查路徑、支撐結(jié)構(gòu),、隨爐試樣等工藝特征定義,；以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)包的規(guī)范。該標準可用于表征增材制造零件的設(shè)計,、制造和質(zhì)量控制的相關(guān)詳細信息,。

DNV･GL是挪威船級社(DNV)與德國勞氏船級社(GL)合并后的集團公司，是目前世界領(lǐng)先的船級社之一,。針對于增材制造在海事上的使用,，2017年，DNV･GL發(fā)布了增材制造材料及制件的鑒定與認證標準,，為增材制造材料,、產(chǎn)品與部件通過系統(tǒng)鑒定認證方法來進行批準與認證提供了一個基本的架構(gòu)，以推動并規(guī)范增材制造在船舶研制與生產(chǎn)中的應(yīng)用,。2018年,，DNV･GL又發(fā)布了增材制造制造商批準程序標準，規(guī)范了增材制造制造商的批準請求,、文檔要求,、批準范圍和限制、批準測試,、質(zhì)量控制和過程驗證等要求,。

PRI自1990年作為非營利性貿(mào)易協(xié)會建立以來，已成為推動行業(yè)管理項目,、管理特殊過程認證項目等的審核管理方面的全球性權(quán)威機構(gòu),。Nadcad特殊過程認證項目是PRI在航空航天領(lǐng)域推進的重點審核工作之一。針對于金屬粉末床熔融增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用,，PRI于2017年發(fā)布了激光與電子束金屬粉末床增材制造審核準則，通過由來自行業(yè)與政府的技術(shù)專家共同建的立認證要求對供應(yīng)商進行審核,、認證,，為質(zhì)量保證提供了標準化的方法，并減少了航空航天行業(yè)的重復(fù)審核.

UL是美國保險商試驗所（Underwriter Laboratories Inc.）的簡寫。UL安全試驗所是美國最有權(quán)威的,，也是世界上從事安全試驗和鑒定的較大的民間機構(gòu),，主要從事產(chǎn)品的安全認證和經(jīng)營安全證明業(yè)務(wù)，以為市場得到具有相當安全水準的商品,，保證人身健康和財產(chǎn)安全,。針對于增材制造工程化應(yīng)用的深入及消費品市場規(guī)模的擴大，UL于2015年發(fā)布了3D打印與增材制造設(shè)備符合性審核指南文件,，該文件是一份有助于制造商確定與增材制造設(shè)備（包括3D打印機）相關(guān)的安全標準及相關(guān)法規(guī)的指南,。2017年和2019年，UL分別發(fā)布了增材制造設(shè)施安全管理審核及3D打印機顆粒物及化學(xué)物質(zhì)排放試驗與評估方法標準,，為保證增材制造生產(chǎn)安全及用戶健康與安全提供指導(dǎo),。

早在2011年，美國國防部就依據(jù)美國防務(wù)分析研究所的研究成果,，將增材制造技術(shù)作為美國軍方的重點關(guān)注技術(shù),，并依據(jù)當時增材制造的技術(shù)成熟度，由美國空軍研究實驗室牽頭發(fā)布了美國國防部增材制造技術(shù)路線圖（見圖）,。該路線圖顯示,，增材制造技術(shù)近期在美軍裝備上的應(yīng)用是以裝備保障為中心，再制造相關(guān)零件及工裝,，并進行裝備維修,。

美國陸軍研發(fā)與工程司令部（RDECOM）針對于增材制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，開展了裝備應(yīng)用的分析與研究,，制定了增材制造應(yīng)用的路線圖,。路線圖中指出增材制造在裝備領(lǐng)域的應(yīng)用有三大階段，即：快速加工與處理,、替代/替換（代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造工藝）,、創(chuàng)新設(shè)計（基于增材制造的設(shè)計），最終實現(xiàn)零件替代,、工藝替代,、產(chǎn)品替代。

可以看出,，增材制造在軍用領(lǐng)域的第一階段應(yīng)用主要集中于裝備保障上,，形成制造與維修能力。有鑒于此,，美國國防部于2013年發(fā)布了“再制造,、修復(fù)、涂層再涂覆用金屬直接沉積（DDM）技術(shù)規(guī)范”,，并于2014年進行了首次修訂,。該標準規(guī)范了材料工藝研發(fā)與驗證流程,、零件修理工藝研發(fā)流程、零件修理工藝驗證流程三個規(guī)范性流程,，為增材制造在裝備保障領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),。

block 2015年4月，微軟,、惠普,、Shapeways、歐特克,、達索系統(tǒng),、Netfabb和SLM Solutions等7家公司建立了3MF聯(lián)盟，并開始著手推廣一種可用于整個增材制造設(shè)計流程的,、專用的統(tǒng)一文件格式,，以便打通從設(shè)計到3D打印期間諸多的環(huán)節(jié)，避免在此過程中出現(xiàn)信息數(shù)據(jù)損失,。與當下流行的3D打印文件格式STL和OBJ相比,，3MF格式具有明顯的優(yōu)勢，比如它能夠在一個文件里提供更多的信息,、具有可擴展性,、支持轉(zhuǎn)換和對象引用等。2015年7月1日,，3D Systems公司,、Stratasys公司、Materialise公司和西門子PLM軟件公司也加入了3MF聯(lián)盟,，共同制定并發(fā)布標準,。目前，3MF已發(fā)布了3D打印格式,、材料及屬性,、點陣晶格結(jié)構(gòu)、切片,、制品的擴展名等5份標準,，用以規(guī)范增材制造專用的文件格式。

除此之外,，國外NIST,、IEEE、IPC,、AMMI,、ABNT等機構(gòu)也針對增材制造的特點在計量、檢測,、印刷電路板,、消費類3D打印,、醫(yī)療等領(lǐng)域開展了標準的研究與制定,，在此就不一一贅述,。

來源：融融軍民