關于增材制造（3D打印）技術標準體系現狀與思考

增材制造技術近幾年發(fā)展迅猛，特別是從2012年以來，全球范圍內掀起了增材制造技術熱潮，各類增材制造技術及設備逐步完善，工程應用范圍也在逐步拓寬，覆蓋了航空、航天、醫(yī)療、汽車、機械、化工、能源、藝術等眾多領域，可制造的材料從非金屬、鈦合金、鋁合金、鋼、金屬間化合物到高溫合金，甚至到陶瓷材料和復合材料，伴隨著增材制造產業(yè)的快速發(fā)展，其產業(yè)及技術發(fā)展中面臨的標準化問題日益凸顯，嚴重制約了增材制造產業(yè)的進一步發(fā)展。本文重點分析了國內外增材制造技術的標準體系，并結合增材制造技術的特點，初步規(guī)劃了國內增材制造技術的標準體系，以期為增材制造產業(yè)的健康、持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展提供標準化支持。

增材制造技術概述

增材制造與3D打印的定義是一致的么？國際標準化組織ISO聯合ASTM于2015年發(fā)布了ISO/ASTM（增材制造技術術語）標準，標準中明確規(guī)定，增材是相對于減材制造和等材制造，以三維模型數據為基礎，通過材料逐層疊加來制造零件或實物的工藝，而3D打印則是利用打印頭、噴嘴或其他打印技術，將材料通過沉淀的方法來制造實物的工藝，通常在非技術領域3D打印作為增材制造的同義詞。通過定義可以了解，一般通過簡單的堆疊、沉積來制造實物的工藝被稱為3D打印，而對于最終產品有各類性能（包括光、電、力、熱、聲等）要求時，相應的工藝則應稱之為增材制造。

目前增材制造技術產品的高端裝備領域主要為航空航天領域。美國波音777、787民用飛機，以及F-15、F-18、F-22軍用飛機研制生產過程中，約有10類產品、200多個構件采用了增材制造技術。空客公司通過使用Stratasys的增材制造系統(tǒng)，成功制作了1000余件飛機零部件。這些增材制造零部件已被用于空客2014年底交付的新機型A350 XWB寬體飛機上。2013年底，GE公司宣布將采用金屬選區(qū)熔化技術為其下一代GE Leap發(fā)動機生產噴嘴，每年的產量將達到4000個，生產周期可縮短2/3，生產成本降低50%，同時可靠性大大提高。在國內，以往增材制造技術主要應用于軍機，并且在2012年之后呈現出井噴式發(fā)展，應用部位逐漸向次承力、主承力構件過渡，應用數量也從之前的幾件猛增至幾十件，“粉絲飛機”稱號也應運而生。同時，在民機研制方面，中國商飛公司目前也在C919飛機型號研制中采用增材制造技術進行零部件生產，其具有代表性的大型零部件為C919天窗骨架和中央翼緣條，而小型、精度要求較高的增材制造零部件則主要應用于導向槽、搖臂等艙門結構。

國內外增材制造技術標準化現狀

國外增材制造標準化工作的發(fā)展，從時間上大體分為兩個階段。

第一個階段，2002年，美國機動車工程協(xié)會（SAE）發(fā)布了增材制造領域第一項標準AMS 4999《退火Ti-6AI-4V鈦合金激光沉積制品》，預示著增材制造標準化工作的開始。該標準于2011年9月進行了修訂，更名為 AMS 4999A《退火Ti-6AL-4V鈦合金直接沉積制品》，不規(guī)定所使用的高能束流的種類，僅對最終制件的性能指標提出了要求，并結合現有的測試技術，提出了相應的推薦性檢測指標。該標準規(guī)定了Ti6AI-4V增材制造的原材料、前處理、制造工藝、后處理、檢驗檢測要求及方法等相關內容，其材料對應于國內TC4鈦合金，適用于能量直接沉積制件的驗收。

第二個階段是2008年開始，也是增材制造標準化工作正式進入快速發(fā)展階段。美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）著手開展相關工作，2009年ASTM國際標準組織組建了F42增材制造技術委員會。F42下設8個分技術委員會，目前已發(fā)布標準11項，還有11項標準正在制定中，主要由F42 01檢測方法、F42 04設計、F42 05材料與工藝以及F42 91術語等4個分技術委員會起草發(fā)布。目前，F42 05主要針對于粉末床熔化（對應于SLS和SLM）技術的鈦合金、鎳基合金及塑料件開展了相應的標準制定，在標準中規(guī)定了相關工藝的原材料要求、前處理、制造過程中質量控制、后處理、檢驗檢測要求及方法等方面的要求，適用于粉末床熔化制件的驗收。

2011年ISO也成立了針對增材制造的標準化技術委員會TC261 ，同年與ASTM F42簽署合作協(xié)議，共同開展增材制造技術領域的標準化工作，并分別于2013年和2015年聯合發(fā)布了三份ISO/ASTM標準，分別從術語定義、坐標系定義、增材制造數據格式（AMF）等方面進行了規(guī)范。

在歐洲，歐盟在增材制造標準化方面提供了積極的支持，在歐盟第七框架計劃的支持下，名為SASAM的項目啟動。SASAM增材制造標準化小組聯合了ISO、ASTM以及CEN多方力量并與2015年6月發(fā)布了2015增材制造標準化路線圖。路線圖中除了關于增材制造標準化路線圖的詳細介紹，還闡述了當前歐洲增材制造的優(yōu)劣勢分析，以及當前發(fā)展需要克服的問題。

我國于2016年4月21日召開了全國增材制造標準化技術委員會（TC562）成立大會，對口國際標準化組織ISO TC 216，在國家層面上開展增材制造技術標準化工作。目前通過該技術委員會正在制定的標準共有6項，設計增材制造技術術語、文件格式、工藝和材料分類等方面。作為國內高端裝備領域，中國航空綜合技術研究所自2007年就開始了增材制造技術標準化的研究，與北京航空航天大學王華明院士團隊開展合作，研究形成了一系列增材制造技術標準，并積極推行行業(yè)標準的立項及制定工作，目前正在開展鈦合金零件激光直接沉積工藝、粉末、制件規(guī)范等5項行業(yè)標準的制定工作。


增材制造技術標準體系思考

增材制造技術標準體系的建立必須以三個方面為指導思想進行規(guī)劃。

一、 目標導向，必須以規(guī)范產業(yè)發(fā)展、促進技術進步、利于專業(yè)交流三個目標為導向，利用綜合標準化的思想建立標準體系。

二、 系統(tǒng)分析，需要從全產業(yè)鏈、全價值鏈、全技術體系等維度開展分析，形成綜合性的標準系統(tǒng)，以滿足產業(yè)發(fā)展、技術進步的需求。

三、 整體優(yōu)化，尋求整個產業(yè)的最優(yōu)配置，協(xié)調上、中、下游的標準化需求，合理統(tǒng)一規(guī)劃，避免重復、不匹配等問題。

因此，增材制造技術領域標準體系建立應從技術維度、保障維度及應用領域維度這三個維度進行思考。技術維度是增材制造技術的核心部分，主要從增材制造技術的一般工藝過程需求出發(fā)，分為設備、設計、材料、工藝等。保障維度是增材制造技術的基本保障，主要從增材制造技術全生命周期的保障技術需求出發(fā)，建立各環(huán)節(jié)、各階段、各類事物及人員的基礎性、檢測、認證、基礎數據格式等標準。應用領域維度則依據增材制造技術產品在各領域應用的不同要求及特點進行劃分，包括航天、航空、汽車、醫(yī)療、教育等，由此規(guī)劃的增材制造技術標準體系見下圖。

圖中的每一個胞元均有數量不同、層級不同的多項標準構成。胞元與胞元之間的標準可能會有重疊。當重疊較多，且在各領域內要求相同或相近時，可在國家層面上進行統(tǒng)一，形成國家標準。當胞元內標準具有明顯的行業(yè)特色（例如，航空產品檢測時對于疲勞性能的要求）時，該類標準應制定成為行業(yè)標準，而當胞元內標準具有明顯技術獨占性（例如，航空零件的具體增材制造工藝標準），僅適合在企業(yè)內部執(zhí)行時，標準應制定稱為企業(yè)級標準。

總之，增材制造標準體系的建立需要在國家層面、行業(yè)層面開展頂層設計，綜合規(guī)劃，以確保標準間能夠協(xié)同，高效地發(fā)揮作用。

來源：中航工業(yè)綜合所  栗曉飛
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