王耿 明憲良 汪小明 朱榮全 唐曄

（北京遙感設備研究所，北京，100854）

文 摘：針對增材制造標準缺失、滯后、系統(tǒng)性不足的問題嚴重制約了增材制造的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的現(xiàn)狀，文章介紹了我國增材制造標準體系建設的構(gòu)建思路、原則、目標與困難，以期更好地服務我國增材制造標準體系建設和應用工作。

目前，全球范圍內(nèi)正在爆發(fā)以信息化、智能化為核心的新一輪產(chǎn)業(yè)革命，增材制造技術具有數(shù)字化、智能化的特點，是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長點。以美國、德國為首的制造業(yè)強國紛紛出臺相關政策措施，甚至將增材制造作為國家戰(zhàn)略加以支持。在政策的引領和市場的驅(qū)動下，我國增材制造產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，關鍵技術不斷突破，應用領域日益拓展，產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)不斷涌現(xiàn)。

增材制造（通常又稱3D打?。┦窍鄬τ跍p材制造和等材制造，以三維模型數(shù)據(jù)為基礎，通常采用材料逐層堆積的方式來制造零件或?qū)嵨锏墓に?，已?jīng)成為引領科技創(chuàng)新和推動產(chǎn)業(yè)變革的關鍵技術。

1 增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

增材制造技術經(jīng)過30多年的發(fā)展已經(jīng)逐漸趨于成熟，全球增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年擴大[1]。據(jù)美國增材制造技術咨詢服務協(xié)會（Wohlers）2017年度報告顯示，過去20余年間，全球增材制造產(chǎn)業(yè)年復合增長率達到27.3%。截至2016年，全球增材制造行業(yè)市場規(guī)模達到了60.63億美元，預計到2020年增材制造產(chǎn)業(yè)有望達到210億美元。

近年來，為了發(fā)展先進制造業(yè)、搶占科技創(chuàng)新制高點，推進增材制造技術研究和產(chǎn)業(yè)化應用，美國、德國、日本等世界工業(yè)強國，紛紛制定了發(fā)展增材制造的國家戰(zhàn)略和具體推動措施[2]。據(jù)Wohlers2017年的最新報告顯示，美國以36.8%的份額遙遙領先，中國、日本和德國占據(jù)第二梯隊[3]。在應用領域方面，增材制造技術已經(jīng)在航空、航天、機械、汽車、醫(yī)療、電子等領域均有廣泛應用，尤其在航空、航天領域應用比例均占18%以上。在產(chǎn)品應用方面，隨著增材制造技術的成熟和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，增材制造產(chǎn)品的質(zhì)量得以提升而成本有所下降。增材制造技術正在從原型制造、樣機制造向更大規(guī)模的航空航天產(chǎn)品零部件制造、醫(yī)療領域人工定制化假體制造等方面不斷發(fā)展。先進的制造技術與產(chǎn)品創(chuàng)新設計相融合，可大幅度地提高產(chǎn)品性能，是未來增材制造技術應用的主要方向。同時，面向增材制造的高性能材料、高成形效率、大尺寸的增材制造系統(tǒng)等關鍵技術逐漸突破，為增材制造技術的產(chǎn)業(yè)化應用提供了保障。

我國作為制造業(yè)大國，在增材制造技術發(fā)展上取得的成就也是可圈可點，截至2016年我國增材制造設備的總裝機量占全球總量的10.3%，位居全球第二。特別是從2015年以來，國家將增材制造技術作為重點發(fā)展對象，連續(xù)出臺多項政策推動增材制造技術的發(fā)展，對增材制造技術研發(fā)、產(chǎn)業(yè)應用、標準化制定等給予了大力支持；設立“增材制造與激光制造”的國家重點研發(fā)計劃等專項，大力發(fā)展增材制造；以陜西省渭南3D打印產(chǎn)業(yè)基地、杭州蕭山區(qū)“未來智造小鎮(zhèn)”等為突出先例的各級地方政府也紛紛出臺有關政策，對增材制造等重點產(chǎn)業(yè)進行扶持，支持增材制造技術研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)不斷涌現(xiàn)?？梢哉f，我國已經(jīng)成為全球最具潛力的增材制造市場。

2 國內(nèi)外增材制造標準化現(xiàn)狀

2.1 增材制造國際標準化現(xiàn)狀

目前，國際上開展增材制造標準化工作的組織主要是國際標準化組織（ISO/TC261） 和美國材料與實驗協(xié)會（ASTMF42）。ASTMF42成立于2009年，下設試驗方法、設計、材料和工藝等分委員會，目前該委員會包括來自10個國家的100多個成員單位。ISO/TC261成立于2011年，目前有14個成員國和6個觀察員國，并且與ASTM在增材制造技術標準制定方面進行深度合作。2018年在美國國防部的資助下，美國國家增材制造創(chuàng)新研究所和國家標準協(xié)會合作發(fā)布了其增材制造標準化路線圖2.0版本，概述了增材制造標準化的當前現(xiàn)狀，列出了93個行業(yè)標準的缺口，并將其中18個缺口確定為高優(yōu)先級缺口。這一舉動為制定增材制造標準確定了指導方向，也標志著美國的增材制造標準工作走在世界前列。近年來，美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家發(fā)布增材制造標準達到近60項，其中80%以上集中在近三至四年制定（見表1）。

表1 主要國際/國外增材制造標準發(fā)布情況

國際增材制造標準化呈現(xiàn)出“高度統(tǒng)一”的特點，即：標準體系高度統(tǒng)一、標準內(nèi)容高度統(tǒng)一、開展標準化工作的專家隊伍構(gòu)成高度統(tǒng)一。由此可以看出，世界各國在大力發(fā)展增材制造技術并推進其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的同時，都在積極開展增材制造標準化工作。

2.2 增材制造國內(nèi)標準化現(xiàn)狀

我國于2016年成立了全國增材制造標準化技術委員會（SAC/TC562），首次將增材制造技術標準化工作提升到了國家層面。技術委員會成立后立刻著手制定了增材制造術語標準，依據(jù)ISO/ASTM52900:2015標準，統(tǒng)一了增材制造領域的最基本概念。ISO/ASTM52900:2015將增材制造技術按照其工藝特性劃分為7大類：粉末床熔融、定向能量沉積、材料噴射、材料擠出、立體光固化、薄材疊層和黏結(jié)劑噴射，從而，避免了像SLM、FDM等名詞亂用。該標準的分類已成為國際通用的分類方法。

由于我國增材制造標準化工作起步較晚，沒有專門開展過增材制造標準體系研究工作，導致僅有的幾項標準都是結(jié)合當時技術現(xiàn)狀和國內(nèi)增材制造行業(yè)發(fā)展的迫切需求而提出的，缺乏對未來技術發(fā)展趨勢的預測和考慮，標準的適用性和科學性大打折扣。不僅如此，由于標準體系的缺失，整個增材制造標準化工作不能有步驟、有計劃地開展，制約了增材制造標準化工作的開展。因此，建立起一套行之有效的增材制造標準體系必要且緊迫。

3 標準體系的建設原則與目標

3.1 基本原則

a）科學規(guī)劃，協(xié)同發(fā)展。全面落實標準化工作改革要求，充分考慮我國增材制造產(chǎn)業(yè)特點，積極對接國際標準，合理規(guī)劃標準體系布局，充分利用政府、社會、市場等各方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)國家標準、行業(yè)標準、團體標準和企業(yè)標準的協(xié)同發(fā)展。

b）急用先行，協(xié)調(diào)配套。全面部署，集中攻堅，優(yōu)先制定產(chǎn)業(yè)急需標準，重點制定交叉融合、成體系、成系列的標準綜合體，加快促進科技成果轉(zhuǎn)化為技術標準，解決標準間的協(xié)調(diào)配套不足的問題。

c）動態(tài)更新，持續(xù)完善。跟蹤國際增材制造標準化發(fā)展趨勢，結(jié)合我國增材制造標準化重點工作，采取動態(tài)管理的方式，不斷修訂和完善體系架構(gòu)，保證標準體系與增材制造技術發(fā)展相協(xié)調(diào)。

3.2 建設目標

建立立足國情、對接國際的增材制造標準體系。圍繞增材制造創(chuàng)新設計、專用材料、工藝、設備、測試方法、云服務平臺等重點領域，制定出基礎通用的增材制造國家和行業(yè)標準。解決增材制造標準缺失、滯后、系統(tǒng)性不足的問題，指導增材制造的標準化工作。

4 標準體系建設思路

增材制造具有多學科交叉的技術特點，需要綜合考慮增材制造產(chǎn)品的設計、材料、工藝、設備、后處理、檢驗檢測等多種因素，進而建立起一套全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的標準體系，指導增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)范、健康發(fā)展。

4.1 設計標準

設計標準主要用于指導增材制造模型設計，是增材制造產(chǎn)品形成的基礎，是推動新穎的非專利設計方法與工具的技術進步，并使增材制造零部件的設計打破與傳統(tǒng)件類似的設計循環(huán)。設計標準包括3大類：設計指南、文件格式、數(shù)據(jù)交換。其中，“設計指南標準”主要包括產(chǎn)品設計、模型設計等標準；“文件格式標準”主要用于規(guī)范增材制造專用文件格式，包括AMF、3MF文件格式等標準；“數(shù)據(jù)交換標準”主要以如何應用STL、IGES、STEP等標準更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換為主，包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)儲存等標準。

4.2 材料標準

材料標準主要用于規(guī)范增材制造專用材料性能，包括4大類標準：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和生物材料等。

●金屬材料標準包括有色金屬和黑色金屬兩類標準，涉及金屬粉末、金屬絲、液態(tài)金屬等形態(tài)。其中，有色金屬標準包括鈦合金、鋁合金、金屬間化合物等標準；黑色金屬標準包括高溫合金、不銹鋼等標準。

●無機非金屬材料標準包括：氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化鋁、氮化硅等陶瓷材料方面標準，涉及粉末、片材等形態(tài)。

●有機高分子材料標準包括工程塑料、熱固性塑料、光敏樹脂、可降解塑料、高分子凝膠等方面標準，涉及粉末、絲材等形態(tài)。

●生物材料標準主要包括生物醫(yī)用高分子材料、醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用無機非金屬材料等方面標準。增加此分支是因為生物增材制造是增材制造的一個重要分支，3D打印骨骼、牙齒、甚至細胞組織等技術正在不斷突破，在醫(yī)療健康領域具有非常廣闊的應用前景，技術更新快，標準發(fā)展迅速。國家相關政策對建立生物增材制造材料體系提出了很高的要求，國際標準化組織也在開展此方面工作。

4.3 工藝標準

工藝標準主要用于規(guī)范增材制造加工流程，為相關技術的推廣和應用奠定基礎，包括9大類：粘結(jié)劑噴射、定向能量沉積、材料擠出、材料噴射、粉末床熔融、薄材層疊、立體光固化、復合增材制造、后處理。

其中前7類依據(jù)最新國家標準GB/T35351《增材制造術語》中增材制造工藝的分類。在增材制造單步工藝過程中，有時會同時或分步結(jié)合一種或多種增材制造、等材制造或減材制造技術，完成零件或?qū)嵨镏圃?，這種特殊工藝叫復合增材制造，因此增加了復合增材制造分類。增材制造層層疊加的特性，容易出現(xiàn)應力集中、孔隙等缺陷，部分工藝后期需要經(jīng)過后處理才能達到產(chǎn)品質(zhì)量要求，因此增加了后處理類。

4.4 設備標準

設備標準與增材制造工藝標準一一對應，主要用于規(guī)范增材制造設備性能、技術要求等。因后處理都是通用設備即可實現(xiàn)，無需增材制造專用設備，設備標準不包含后處理設備。

4.5 測試方法標準

測試方法標準包括試驗方法、測試試件、評價方法和實施規(guī)范。主要對增材制造領域的專用材料、設備和成形件的特性試驗方法、驗收過程中的評價方法、技術指標、性能判定、限值等級和報告內(nèi)容等進行規(guī)定。其中，“試驗方法標準”包括原材料特性、表面特性、幾何特性、機械特性、生物相容性、化學特性等性能試驗，無損試驗，工藝過程測試等方面的標準；“實施規(guī)范標準”包括采購規(guī)范、測試協(xié)議、驗收規(guī)范等方面的標準；測試試件和評價方法標準可參考傳統(tǒng)制造領域標準。

5 困難與挑戰(zhàn)

增材制造技術正在快速發(fā)展，其設備、工藝都在不斷更新，增材制造技術在航空航天、醫(yī)療等領域的應用和制造環(huán)節(jié)存在的問題尚未完全被發(fā)現(xiàn)，目前還處于不斷探索和驗證的階段，可能會為增材制造標準的制定帶來一定的困難。

增材制造技術是信息技術、材料科學、制造技術等多學科交叉融合的產(chǎn)物，所以其標準體系的建設需要多個行業(yè)、機構(gòu)、企業(yè)之間充分交流，互相協(xié)作。只有站在全局的高度，發(fā)揮各家優(yōu)勢，突出政、產(chǎn)、學、研、用的結(jié)合，才能推動增材制造標準體系建設工作快速、健康的發(fā)展。

增材制造標準體系的建立，可以為我國增材制造技術標準的發(fā)展規(guī)劃提供技術路線，為更大范圍開展增材制造技術標準化工作提供有效支撐。建設一套完整的標準體系，指導標準的制修訂，可有效減少標準交叉、重復等現(xiàn)象。而隨著增材制造技術的迅速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)格局的不斷優(yōu)化，新技術、新設備、新工藝、新材料的不斷提出，增材制造標準體系需要不斷完善和修正，保證標準體系與增材制造技術發(fā)展相協(xié)調(diào)。