國內(nèi)外增材制造標準化發(fā)展現(xiàn)狀與建議

作者：孫　丹,，鄒定錦，張　亮
工作單位：上海材料研究所有限公司,，上海市工程材料應用與評價重點實驗室
來源：《機械工程材料》2024年6期

增材制造（3D 打�,。┘夹g(shù)是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過材料逐層堆積的方式制造零部件的新興制造技術(shù),，其憑借復雜結(jié)構(gòu)近凈成形的優(yōu)勢,，成為引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來,，增材制造產(chǎn)品在航空,、航天、醫(yī)療,、汽車,、模具、機電等領(lǐng)域相繼出現(xiàn)示范性應用,，標志著增材制造技術(shù)已逐步走向成熟,，成為現(xiàn)代制造業(yè)快速優(yōu)化轉(zhuǎn)型和向工業(yè)4.0穩(wěn)步邁進的重要驅(qū)動力。

隨著增材制造技術(shù)日臻成熟,，增材制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)迎來快速發(fā)展,，面臨的標準化問題也日益凸顯。 標準作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不可或缺的新技術(shù)進步要素,，對推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級具有關(guān)鍵性作用,。歐美等發(fā)達國家和地區(qū)一直非常重視增材制造標準體系的建設,，各自成立了如美國材料與試驗協(xié)會增材制造技術(shù)委員會（ASTM F42）、歐洲標準委員會（CEN）,、英國標準協(xié)會（BSI）,、德國工程師協(xié)會（VDI）、荷蘭標準化學會（NEN）等標準組織機構(gòu),，在增材制造專用術(shù)語,、專用材料、測試方法,、過程控制和零件設計等5 個方面開展了大量的標準制定工作，推動著增材制造技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,。 我國也積極開展增材制造標準化工作,，于2016年4月成立了全國增材制造標準化技術(shù)委員會（SAC/TC 562），負責國家標準的制定,。但是目前,，相比國外完整的增材制造產(chǎn)業(yè)鏈和完善的相關(guān)標準體系，我國仍存在增材制造標準缺失,、國際標準跟蹤和轉(zhuǎn)化滯后等問題,，因此需加倍重視增材制造標準化工作，以規(guī)范增材制造行業(yè)秩序,，指導增材制造行業(yè)發(fā)展,。

為了更好地促進標準對增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用，作者梳理了國內(nèi)外增材制造標準體系框架,，總結(jié)了國內(nèi)外增材制造標準發(fā)布情況,，結(jié)合實際情況，分析了國內(nèi)增材制造標準化工作的發(fā)展趨勢,，為推動我國高質(zhì)量增材制造標準體系建設,、關(guān)鍵技術(shù)標準和自主標準制定，提供科學合理的發(fā)展建議,。

1 國際增材制造標準體系框架
國際標準化組織（ISO）于2011年成立了增材制造標準化技術(shù)委員會（ISO/TC 261）,，并于當年就與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,。為了減少重復性工作,，提高企業(yè)與制造商對增材制造相關(guān)產(chǎn)品的認可度，推進全球增材制造標準化工作的順利進行,，ISO/TC261與ASTM F42于2016年聯(lián)合發(fā)布了《全球增材制造標準的框架》,，如圖1所示。該框架將增材制 造標準分為通用增材制造標準,、分類增材制造標準和專用增材制造標準3個大類,。頂層的通用增材制造標準是圍繞增材制造所涉及的各種概念,、一般測試與檢驗要求和產(chǎn)品常見應用范圍來制定的；分類增材制造標準對不同材料,、不同工藝下增材制造產(chǎn)品的生產(chǎn)與檢測進行規(guī)范,；專用增材制造標準則對具體材料、具體工藝在各個行業(yè)中的具體應用作出要求,。

圖 1    ASTM F42 和 ISO/TC 261 聯(lián)合發(fā)布的《全球增材制造標準的框架》

2 國際增材制造標準發(fā)布情況
目前,，國際上已發(fā)布了200余項增材制造相關(guān)標準，內(nèi)容涉及設計,、制造,、加工、檢測等多個方面,，部分重要標準列于表1,。值得注意的是，針對相同對象,，不同組織制定標準的側(cè)重點不同,。ISO制定的標準多為適用范圍廣、可用性強的通用標準和分類標準,，主要考慮全球范圍內(nèi)增材制造技術(shù)的標準化使用,；ASTM 單獨制定的（非聯(lián)合）標準多為專用標準，集中在金屬粉末的粉末床熔融技術(shù)領(lǐng)域,，而通用標準則主要為數(shù)據(jù)格式類和設計指南類等,；美國宇航材料規(guī)范（AMS）是由美國汽車工程師協(xié)會（SAE）下設的航空航天材料委員會制定的材料標準，其涵蓋的專用標準占比較,，主要針對應用于航空航天領(lǐng)域的金屬增材制造粉末及工藝,，對材料化學成分  的把控要求很高。

△表1　不同組織制定的部分增材制造標準

分析發(fā)現(xiàn),，國外標準的制定注重價值鏈各節(jié)點間聯(lián)系,，強調(diào)從設計到驗收全流程閉環(huán)。此外,，國外標準化工作的快速推進一方面得益于標準制定組織與企業(yè)或高校的深度合作,，以實際需求指導各領(lǐng)域標準制定；另一方面得益于企業(yè)或團體自發(fā)地根據(jù)生產(chǎn)中出現(xiàn)的實際問題來制定標準,。例如,，隨著增材制造模型精度的逐步提高，目前應用最廣泛的立體光刻（STL）文件無法滿足高精度打印的要求,，為此,，Microsoft、Hewlett Packard、Shapeways,、Autodesk,、Dassault Systèmes、Netfabb與SLM Solutions等7家公司在2015年4月成立了3MF聯(lián)盟,，著手制定用于增材制造設計的3MF文件,；相比STL文件，3MF文件可提供包括顏色,、材質(zhì)和紋理在內(nèi) 的更多模型信息,。截至2022年，3MF聯(lián)盟已發(fā)布了5項標準,，推動了國外增材制造標準化發(fā)展,。

國內(nèi)增材制造標準制定工作可以借鑒國外的經(jīng)驗與成果，先構(gòu)建和完善標準體系框架,，對標準進行精確分類,，確定各項標準制定的優(yōu)先度，同時結(jié)合國內(nèi)實際情況進行改善,，以國家標準制定為主，各行業(yè),、各地方,、各團體按需制定標準為輔，共同推動國內(nèi)增材制造標準化進程,。

3 國內(nèi)增材制造標準體系框架
我國對增材制造標準制定工作高度重視,，于2014年成為ISO/TC 261的正式（P）成員國，并在參加國際標準制定的同時,，也成立了SAC/TC 562,，主要負責術(shù)語、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)服務等領(lǐng)域國家增材制造標準制修訂工作,，旨在加強標準制定和實施，通過“標準化+先進制造”,，力爭把我國增材制造技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為國際競爭力,。此外，國家標準化管理委員會,、工信部,、科技部、教育部等部門印發(fā)了《增材制造標準領(lǐng)航行動計劃（2020—2022年）》,，提出到2022年,，基本建立立足國情,、對接國際的增材制造新型標準體系，明確了增材制造標準的指導作用,。

為了更好地順應增材制造技術(shù)發(fā)展,，SAC/TC 562成立了1個分技術(shù)委員會和3個專業(yè)工作組，分別為測試方法分技術(shù)委員會（SAC/TC 562/SC 1）,、專用材料工作組（SAC/TC 562/WG 1）,、數(shù)據(jù)和設計工作組（SAC/TC 562/WG 2）、培訓和服務工作組（SAC/TC 562/WG 3）,，并立足于我國增材制造技術(shù)成熟度和標準化工作進程,，推出了國內(nèi)增材制造標準體系框架，如圖2所示,。我國增材制造標準體系框架將標準分為基礎(chǔ)共性標準,、關(guān)鍵技術(shù)標準以及服務和培訓標準三大類，此三大類標準都將逐步 落實到行業(yè)應用標準中,�,；�礎(chǔ)共性標準旨在規(guī)范增材制造行業(yè)，減少不同組織和機構(gòu)之間的交流障礙,，保障從業(yè)人員的健康與安全,，營造良好的工作環(huán)境， 其內(nèi)容包括術(shù)語,、定義,、設計圖格式等。關(guān)鍵技術(shù)標準主要針對原材料,、工藝,、設備、軟件和測試方法來制定準則：原材料標準用于準確描述不同增材制造技術(shù)所用原材料的理化性質(zhì),，例如金屬粉末的粒度分布等,；工藝標準用于明確各種工藝的步驟與細節(jié)，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性,；設備標準用于確保設備可靠性和從業(yè)人員安全性,；軟件標準主要用于規(guī)范設計與文件導入，提高模型通用性,；測試方法標準用于統(tǒng)一 材料性能測試方法,，使測試結(jié)果更直觀與可靠。服務和培訓標準主要涉及增材制造從業(yè)人員的能力培訓,，例如采購標準要求交易雙方均明確所需商品的定義信息,、原料參數(shù)和最終性能等參數(shù)，該類標準的制定和應用可以極大程度地避免客戶與供貨商之間的矛盾糾紛，維持良好的市場環(huán)境,。


圖 2 SAC/TC 562 發(fā)布的國內(nèi)增材制造標準體系框架

4 國內(nèi)增材制造標準發(fā)布情況
截至2023年,，全國標準信息公共服務平臺上起草、征求意見,、審查,、批準、即將實施與現(xiàn)行的增材制造相關(guān)標準共有100項,，其中由國家標準化管理委員會管理并實施/推進的標準有近70項,，其內(nèi)容涵蓋基礎(chǔ)共性標準及具體的行業(yè)應用標準等，主要以材料類標準為主導,，如圖3所示,，部分重要標準列于表2。

圖3　增材制造國家標準類別占比

表2　部分增材制造國家標準

在基礎(chǔ)共性標準中,，以GB/T 35351—2017《增材制造術(shù)語》為例進行介紹,，該標準統(tǒng)一規(guī)范了增材制造涉及到的概念、工藝,、應用以及屬性方面的術(shù)語和定義,，將增材制造根據(jù)工藝分為了黏結(jié)劑噴射、 定向能量沉積,、材料擠出,、材料噴射、粉末床熔融,、 薄材疊層和立體光固化等七大類，與國際主流分類法相統(tǒng)一,。

在檢測類標準中,，已發(fā)布標準以增材制造金屬粉末的性能表征方法和增材制造制件尺寸精度與力學性能評價方法為主，制定中標準以無損檢測標準居多,。

在專用材料類標準中,，已發(fā)布與制定中的標準已基本覆蓋了現(xiàn)有的大部分增材制造用金屬材料， 主要是粉末床用金屬粉末原材料,，應用最為廣泛的有鋁合金粉末,、鈦合金粉末、鈷鉻合金粉末,、鎳基高溫合金粉末和模具鋼粉末,。該類標準也涵蓋了行業(yè)關(guān)注度高的金屬粉末包裝、標志,、運輸,、貯存以及再利用等相關(guān)規(guī)范。此外，從現(xiàn)行標準可以看出,，我國增材制造材料標準目前多針對金屬材料,，非金屬材料的相關(guān)標準仍需要進一步完善。

在關(guān)鍵技術(shù)類標準（包括工藝標準與技術(shù)標準）中,，已發(fā)布標準主要以粉末床熔融,、定向能量沉積、 能量沉積‒銑削復合等增材制造工藝與技術(shù)規(guī)范為主,。例如,，GB/T 39247—2020《增材制造金屬制件熱處理工藝規(guī)范》屬于關(guān)鍵技術(shù)標準中的后處理部分，規(guī)定了對增材制造金屬制件進行熱處理的一般要求,、過程控制,、檢驗以及文件管理，推薦了一些常見的增材制造金屬制件熱處理方式,，如TC4 鈦合金的固溶時效工藝和退火工藝,，為獲得性能穩(wěn)定的增材制造金屬制件提供參考；GB/T 43233—2023《增材制造系統(tǒng)可能性和可靠性航空航天用金屬材料激光粉末床熔融設備驗收試驗》,，其最主要的內(nèi)容是對航空航天行業(yè)中激光粉末床熔融設備的鑒定試驗流程進行規(guī)范,，包含一般要求、激光束試驗,、機械功能試驗,、加熱系統(tǒng)、成形室內(nèi)氣氛,、數(shù)據(jù)記錄,、安全系統(tǒng)、可選試驗與再鑒定等,，并給出了試驗報告的格式參考,，根據(jù)該標準對相關(guān)設備進行驗收大大提高了鑒定工作的可靠性，目前已落實到行業(yè)中,。

在數(shù)據(jù)與設計類和服務類標準中,，以GB/T 37461—2019《增材制造云服務平臺模式規(guī)范》為例進行說明，該標準對制造服務模式,、在線設計與制造服務模式,、委托設計與制造服務模式和在線選購服務模式中的基本流程、消費者交易訂單與平臺生產(chǎn)訂單要求,、增材制造生產(chǎn)服務商篩選機制要求,、 消費者對產(chǎn)品和服務評價要求等進行了規(guī)范，為實現(xiàn)平臺建設各項功能提供了寶貴建議,，打通了生產(chǎn)端與消費端之間的壁壘,，促進了增材制造云服務平臺規(guī)范化,，使平臺能為消費者和廠商提供更好的服務。這兩類標準的制定與實施對我國增材制造向一體化,、輕量化方向發(fā)展起到重要作用,，是我國智能制造、數(shù)字化制造變革過程中的重要一步,。

除了增加增材制造國家標準數(shù)量,，完善增材制造國家標準體系框架，我國也致力于通過國際化加強在國際范圍內(nèi)的話語權(quán)和影響力,。2021年發(fā)布 了由我國主導立項的國際標準ISO/IEC 23510:2021《信息技術(shù)3D打印和掃描增材制造服務平臺 （AMSP）架構(gòu)》,；該標準的發(fā)布實現(xiàn)了我國增材制造國際標準制定領(lǐng)域零的突破，擴大了影響力,，反映了我國在增材制造標準化方面的長足進步,。而且，國際標準ISO/ASTM 52902也把由我國提出的增材制造成形精度檢測方法納入其中,。截至2022年,， 累計有70多位中國專家學者參加ISO/TC 261國際會議，并進行了近200次國際標準相關(guān)投票,，我國在增材制造國際標準化工作中的重要性愈發(fā)突出,。

在積極推進國家標準國際化的同時，我國也不斷發(fā)展完善著增材制造領(lǐng)域的行業(yè),、地方和團體標準,，如行業(yè)標準中的機械標準JB、航天工業(yè)標準QJ,、醫(yī)藥標準YY,、航空工業(yè)標準HB等。截至2023年,， 增材制造行業(yè),、地方和團體標準共發(fā)布超過了140項，其中適用于醫(yī)療領(lǐng)域的標準最多,，共計62項。由圖4可知：醫(yī)療行業(yè)標準中以輔助裝置和植入物類標準居多,，這得益于增材制造復雜結(jié)構(gòu)近凈成形的優(yōu)勢,。行業(yè)、地方和團體標準的制定和實施很好地體現(xiàn)了增材制造領(lǐng)域的發(fā)展特性,，推動著我國增材制造標準化工作的發(fā)展,。

5 結(jié)束語
增材制造是智能制造的重要組成部分。隨著增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的日臻成熟,，為了推動增材制造產(chǎn)品從“可制造”到“可使用”再到“安全穩(wěn)定使用” 的跨越,，不斷促進增材制造制件在航空,、航天、電子信息,、醫(yī)藥等領(lǐng)域的規(guī)�,；瘧�用以及全產(chǎn)業(yè)鏈的健康穩(wěn)步發(fā)展，增材制造標準的制定與實施迫在眉睫,。目前,，國際增材制造標準體系框架將增材制造標準分為通用增材制造標準、分類增材制造標準和專用增材制造標準,；國內(nèi)增材制造標準體系框架將增材制造標準分為基礎(chǔ)共性標準,、關(guān)鍵技術(shù)標準以及服務和培訓標準，并提出要將此3類逐步落實到行業(yè)應用標準中,。目前,，國內(nèi)增材制造標準化工作的發(fā)展趨勢為完善國家標準體系框架，推進國家標準國際化,，不斷推動增材制造領(lǐng)域的行業(yè)標準,、地方標準和團體標準的制定和實施。

《增材制造標準領(lǐng)航行動計劃（2020—2022年）》明確指出要“構(gòu)建和完善增材制造標準體系”,，從當前增材制造技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化需求出發(fā),，科學研判未來發(fā)展趨勢，加快構(gòu)建和完善我國增材制造標準體系,，對標國際適用的增材制造標準化體系框架和發(fā)展路線圖,。對比現(xiàn)行的國際標準和國內(nèi)標準可知，雖然我國在增材制造標準化方面已取得了眾多重要成果,，但還有許多地方需要進一步完善,。為此，對我國增材制造標準體系建設提出以下建議：

（1）以行業(yè)需求為牽引,，不斷完善增材制造國家標準體系,。關(guān)鍵技術(shù)標準中數(shù)據(jù)和設計類標準較少； 原材料類標準以金屬及其合金為主,，有關(guān)非金屬材料的標準相對較少,；工藝和設備類標準中對于除粉末床熔融與直接金屬沉積之外的其他增材制造工藝相關(guān)標準的制定還需進一步加；測試方法類標準仍然缺乏規(guī)�,；瘧���,。

（2）針對特定行業(yè)的特殊發(fā)展需求，在完善國家標準的同時,，大力推動有引領(lǐng)性,、競爭性的團體標準建立。通過團體標準的制定和實施,，規(guī)范增材制造各應用領(lǐng)域的發(fā)展,，滿足航空,、航天、船舶,、軌道交通裝備,、汽車、核工業(yè),、電力裝備,、生物醫(yī)療、家電,、 模具,、鑄造等具體行業(yè)的特殊應用標準需求。

（3）大力發(fā)展增材制造標準相關(guān)人才培養(yǎng)體系的建設,。充分結(jié)合2023 年發(fā)布的《標準化人才培養(yǎng)專項行動計劃（2023—2025年）》,，建立標準化人才職業(yè)能力評價機制，培養(yǎng)一批標準編審,、實施和服務能手,，不斷提升增材制造標準的專業(yè)化程度，促進我國增材制造標準的健康穩(wěn)定發(fā)展,。