關(guān)于增材制造（3D打印）技術(shù)標準體系現(xiàn)狀與思考

增材制造技術(shù)近幾年發(fā)展迅猛，特別是從2012年以來，全球范圍內(nèi)掀起了增材制造技術(shù)熱潮，各類增材制造技術(shù)及設(shè)備逐步完善，工程應(yīng)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(shù)等眾多領(lǐng)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(fù)合材料，伴隨著增材制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)及技術(shù)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(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。本文重點分析了國內(nèi)外增材制造技術(shù)的標準體系，并結(jié)合增材制造技術(shù)的特點，初步規(guī)劃了國內(nèi)增材制造技術(shù)的標準體系，以期為增材制造產(chǎn)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(shù)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(lián)合ASTM于2015年發(fā)布了ISO/ASTM（增材制造技術(shù)術(shù)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料逐層疊加來制造零件或?qū)嵨锏墓に?，?D打印則是利用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)，將材料通過沉淀的方法來制造實物的工藝，通常在非技術(shù)領(lǐng)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(chǎn)品有各類性能（包括光、電、力、熱、聲等）要求時，相應(yīng)的工藝則應(yīng)稱之為增材制造。

目前增材制造技術(shù)產(chǎn)品的高端裝備領(lǐng)域主要為航空航天領(lǐng)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(chǎn)過程中，約有10類產(chǎn)品、200多個構(gòu)件采用了增材制造技術(shù)?？湛凸就ㄟ^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(shù)為其下一代GE Leap發(fā)動機生產(chǎn)噴嘴，每年的產(chǎn)量將達到4000個，生產(chǎn)周期可縮短2/3，生產(chǎn)成本降低50%，同時可靠性大大提高。在國內(nèi)，以往增材制造技術(shù)主要應(yīng)用于軍機，并且在2012年之后呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展，應(yīng)用部位逐漸向次承力、主承力構(gòu)件過渡，應(yīng)用數(shù)量也從之前的幾件猛增至幾十件，“粉絲飛機”稱號也應(yīng)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(shù)進行零部件生產(chǎn)，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(yīng)用于導(dǎo)向槽、搖臂等艙門結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)外增材制造技術(shù)標準化現(xiàn)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(lǐng)域第一項標準AMS 4999《退火Ti-6AI-4V鈦合金激光沉積制品》，預(yù)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(jié)合現(xiàn)有的測試技術(shù)，提出了相應(yīng)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(guān)內(nèi)容，其材料對應(yīng)于國內(nèi)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(guān)工作，2009年ASTM國際標準組織組建了F42增材制造技術(shù)委員會。F42下設(shè)8個分技術(shù)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(shè)計、F42 05材料與工藝以及F42 91術(shù)語等4個分技術(shù)委員會起草發(fā)布。目前，F(xiàn)42 05主要針對于粉末床熔化（對應(yīng)于SLS和SLM）技術(shù)的鈦合金、鎳基合金及塑料件開展了相應(yīng)的標準制定，在標準中規(guī)定了相關(guān)工藝的原材料要求、前處理、制造過程中質(zhì)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(shù)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(shù)領(lǐng)域的標準化工作，并分別于2013年和2015年聯(lián)合發(fā)布了三份ISO/ASTM標準，分別從術(shù)語定義、坐標系定義、增材制造數(shù)據(jù)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(lián)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(guān)于增材制造標準化路線圖的詳細介紹，還闡述了當(dāng)前歐洲增材制造的優(yōu)劣勢分析，以及當(dāng)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(shù)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(shù)標準化工作。目前通過該技術(shù)委員會正在制定的標準共有6項，設(shè)計增材制造技術(shù)術(shù)語、文件格式、工藝和材料分類等方面。作為國內(nèi)高端裝備領(lǐng)域，中國航空綜合技術(shù)研究所自2007年就開始了增材制造技術(shù)標準化的研究，與北京航空航天大學(xué)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(shù)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(shù)標準體系思考

增材制造技術(shù)標準體系的建立必須以三個方面為指導(dǎo)思想進行規(guī)劃。

一、 目標導(dǎo)向，必須以規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展、促進技術(shù)進步、利于專業(yè)交流三個目標為導(dǎo)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(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈、全技術(shù)體系等維度開展分析，形成綜合性的標準系統(tǒng)，以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)進步的需求。

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

因此，增材制造技術(shù)領(lǐng)域標準體系建立應(yīng)從技術(shù)維度、保障維度及應(yīng)用領(lǐng)域維度這三個維度進行思考。技術(shù)維度是增材制造技術(shù)的核心部分，主要從增材制造技術(shù)的一般工藝過程需求出發(fā)，分為設(shè)備、設(shè)計、材料、工藝等。保障維度是增材制造技術(shù)的基本保障，主要從增材制造技術(shù)全生命周期的保障技術(shù)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(chǔ)性、檢測、認證、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式等標準。應(yīng)用領(lǐng)域維度則依據(jù)增材制造技術(shù)產(chǎn)品在各領(lǐng)域應(yīng)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(shù)標準體系見下圖。

圖中的每一個胞元均有數(shù)量不同、層級不同的多項標準構(gòu)成。胞元與胞元之間的標準可能會有重疊。當(dāng)重疊較多，且在各領(lǐng)域內(nèi)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(dāng)胞元內(nèi)標準具有明顯的行業(yè)特色（例如，航空產(chǎn)品檢測時對于疲勞性能的要求）時，該類標準應(yīng)制定成為行業(yè)標準，而當(dāng)胞元內(nèi)標準具有明顯技術(shù)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(nèi)部執(zhí)行時，標準應(yīng)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(shè)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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