王耿 明憲良 汪小明 朱榮全 唐曄

（北京遙感設(shè)備研究所，北京，100854）

文 摘：針對(duì)增材制造標(biāo)準(zhǔn)缺失、滯后、系統(tǒng)性不足的問題嚴(yán)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(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的構(gòu)建思路、原則、目標(biāo)與困難，以期更好地服務(wù)我國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和應(yīng)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(shù)具有數(shù)字化、智能化的特點(diǎn)，是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)。以美國(guó)、德國(guó)為首的制造業(yè)強(qiáng)國(guó)紛紛出臺(tái)相關(guān)政策措施，甚至將增材制造作為國(guó)家戰(zhàn)略加以支持。在政策的引領(lǐng)和市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，應(yīng)用領(lǐng)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?duì)于減材制造和等材制造，以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通常采用材料逐層堆積的方式來制造零件或?qū)嵨锏墓に嚕呀?jīng)成為引領(lǐng)科技創(chuàng)新和推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵技術(shù)。

1 增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

增材制造技術(shù)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(kuò)大[1]。據(jù)美國(guó)增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會(huì)（Wohlers）2017年度報(bào)告顯示，過去20余年間，全球增材制造產(chǎn)業(yè)年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到27.3%。截至2016年，全球增材制造行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了60.63億美元，預(yù)計(jì)到2020年增材制造產(chǎn)業(yè)有望達(dá)到210億美元。

近年來，為了發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)、搶占科技創(chuàng)新制高點(diǎn)，推進(jìn)增材制造技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，美國(guó)、德國(guó)、日本等世界工業(yè)強(qiáng)國(guó)，紛紛制定了發(fā)展增材制造的國(guó)家戰(zhàn)略和具體推動(dòng)措施[2]。據(jù)Wohlers2017年的最新報(bào)告顯示，美國(guó)以36.8%的份額遙遙領(lǐng)先，中國(guó)、日本和德國(guó)占據(jù)第二梯隊(duì)[3]。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，增材制造技術(shù)已經(jīng)在航空、航天、機(jī)械、汽車、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，尤其在航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用比例均占18%以上。在產(chǎn)品應(yīng)用方面，隨著增材制造技術(shù)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(shù)正在從原型制造、樣機(jī)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(lǐng)域人工定制化假體制造等方面不斷發(fā)展。先進(jìn)的制造技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)相融合，可大幅度地提高產(chǎn)品性能，是未來增材制造技術(shù)應(yīng)用的主要方向。同時(shí)，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(guān)鍵技術(shù)逐漸突破，為增材制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了保障。

我國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，在增材制造技術(shù)發(fā)展上取得的成就也是可圈可點(diǎn)，截至2016年我國(guó)增材制造設(shè)備的總裝機(jī)量占全球總量的10.3%，位居全球第二。特別是從2015年以來，國(guó)家將增材制造技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，連續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)政策推動(dòng)增材制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)增材制造技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化制定等給予了大力支持；設(shè)立“增材制造與激光制造”的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等專項(xiàng)，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(jí)地方政府也紛紛出臺(tái)有關(guān)政策，對(duì)增材制造等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行扶持，支持增材制造技術(shù)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(guó)已經(jīng)成為全球最具潛力的增材制造市場(chǎng)。

2 國(guó)內(nèi)外增材制造標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

2.1 增材制造國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上開展增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作的組織主要是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO/TC261） 和美國(guó)材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTMF42）。ASTMF42成立于2009年，下設(shè)試驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)、材料和工藝等分委員會(huì)，目前該委員會(huì)包括來自10個(gè)國(guó)家的100多個(gè)成員單位。ISO/TC261成立于2011年，目前有14個(gè)成員國(guó)和6個(gè)觀察員國(guó)，并且與ASTM在增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定方面進(jìn)行深度合作。2018年在美國(guó)國(guó)防部的資助下，美國(guó)國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)合作發(fā)布了其增材制造標(biāo)準(zhǔn)化路線圖2.0版本，概述了增材制造標(biāo)準(zhǔn)化的當(dāng)前現(xiàn)狀，列出了93個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺口，并將其中18個(gè)缺口確定為高優(yōu)先級(jí)缺口。這一舉動(dòng)為制定增材制造標(biāo)準(zhǔn)確定了指導(dǎo)方向，也標(biāo)志著美國(guó)的增材制造標(biāo)準(zhǔn)工作走在世界前列。近年來，美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)布增材制造標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到近60項(xiàng)，其中80%以上集中在近三至四年制定（見表1）。

表1 主要國(guó)際/國(guó)外增材制造標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布情況

國(guó)際增材制造標(biāo)準(zhǔn)化呈現(xiàn)出“高度統(tǒng)一”的特點(diǎn)，即：標(biāo)準(zhǔn)體系高度統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容高度統(tǒng)一、開展標(biāo)準(zhǔn)化工作的專家隊(duì)伍構(gòu)成高度統(tǒng)一。由此可以看出，世界各國(guó)在大力發(fā)展增材制造技術(shù)并推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的同時(shí)，都在積極開展增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作。

2.2 增材制造國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

我國(guó)于2016年成立了全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC562），首次將增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作提升到了國(guó)家層面。技術(shù)委員會(huì)成立后立刻著手制定了增材制造術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)ISO/ASTM52900:2015標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了增材制造領(lǐng)域的最基本概念。ISO/ASTM52900:2015將增材制造技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)的分類已成為國(guó)際通用的分類方法。

由于我國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作起步較晚，沒有專門開展過增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系研究工作，導(dǎo)致僅有的幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都是結(jié)合當(dāng)時(shí)技術(shù)現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)增材制造行業(yè)發(fā)展的迫切需求而提出的，缺乏對(duì)未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和考慮，標(biāo)準(zhǔn)的適用性和科學(xué)性大打折扣。不僅如此，由于標(biāo)準(zhǔn)體系的缺失，整個(gè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作不能有步驟、有計(jì)劃地開展，制約了增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作的開展。因此，建立起一套行之有效的增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系必要且緊迫。

3 標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)原則與目標(biāo)

3.1 基本原則

a）科學(xué)規(guī)劃，協(xié)同發(fā)展。全面落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化工作改革要求，充分考慮我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，積極對(duì)接國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，合理規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)體系布局，充分利用政府、社會(huì)、市場(chǎng)等各方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)，優(yōu)先制定產(chǎn)業(yè)急需標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)制定交叉融合、成體系、成系列的標(biāo)準(zhǔn)綜合體，加快促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決標(biāo)準(zhǔn)間的協(xié)調(diào)配套不足的問題。

c）動(dòng)態(tài)更新，持續(xù)完善。跟蹤國(guó)際增材制造標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合我國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化重點(diǎn)工作，采取動(dòng)態(tài)管理的方式，不斷修訂和完善體系架構(gòu)，保證標(biāo)準(zhǔn)體系與增材制造技術(shù)發(fā)展相協(xié)調(diào)。

3.2 建設(shè)目標(biāo)

建立立足國(guó)情、對(duì)接國(guó)際的增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系。圍繞增材制造創(chuàng)新設(shè)計(jì)、專用材料、工藝、設(shè)備、測(cè)試方法、云服務(wù)平臺(tái)等重點(diǎn)領(lǐng)域，制定出基礎(chǔ)通用的增材制造國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。解決增材制造標(biāo)準(zhǔn)缺失、滯后、系統(tǒng)性不足的問題，指導(dǎo)增材制造的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

4 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)思路

增材制造具有多學(xué)科交叉的技術(shù)特點(diǎn)，需要綜合考慮增材制造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、材料、工藝、設(shè)備、后處理、檢驗(yàn)檢測(cè)等多種因素，進(jìn)而建立起一套全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的標(biāo)準(zhǔn)體系，指導(dǎo)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)范、健康發(fā)展。

4.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要用于指導(dǎo)增材制造模型設(shè)計(jì)，是增材制造產(chǎn)品形成的基礎(chǔ)，是推動(dòng)新穎的非專利設(shè)計(jì)方法與工具的技術(shù)進(jìn)步，并使增材制造零部件的設(shè)計(jì)打破與傳統(tǒng)件類似的設(shè)計(jì)循環(huán)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括3大類：設(shè)計(jì)指南、文件格式、數(shù)據(jù)交換。其中，“設(shè)計(jì)指南標(biāo)準(zhǔn)”主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模型設(shè)計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)；“文件格式標(biāo)準(zhǔn)”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(biāo)準(zhǔn)；“數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)”主要以如何應(yīng)用STL、IGES、STEP等標(biāo)準(zhǔn)更好地實(shí)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(chǔ)存等標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 材料標(biāo)準(zhǔn)

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

●金屬材料標(biāo)準(zhǔn)包括有色金屬和黑色金屬兩類標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)包括鈦合金、鋁合金、金屬間化合物等標(biāo)準(zhǔn)；黑色金屬標(biāo)準(zhǔn)包括高溫合金、不銹鋼等標(biāo)準(zhǔn)。

●無機(jī)非金屬材料標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，涉及粉末、片材等形態(tài)。

●有機(jī)高分子材料標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，涉及粉末、絲材等形態(tài)。

●生物材料標(biāo)準(zhǔn)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(jī)非金屬材料等方面標(biāo)準(zhǔn)。增加此分支是因?yàn)樯镌霾闹圃焓窃霾闹圃斓囊粋€(gè)重要分支，3D打印骨骼、牙齒、甚至細(xì)胞組織等技術(shù)正在不斷突破，在醫(yī)療健康領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，技術(shù)更新快，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展迅速。國(guó)家相關(guān)政策對(duì)建立生物增材制造材料體系提出了很高的要求，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織也在開展此方面工作。

4.3 工藝標(biāo)準(zhǔn)

工藝標(biāo)準(zhǔn)主要用于規(guī)范增材制造加工流程，為相關(guān)技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，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(fù)合增材制造、后處理。

其中前7類依據(jù)最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T35351《增材制造術(shù)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(shí)會(huì)同時(shí)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(shù)，完成零件或?qū)嵨镏圃?，這種特殊工藝叫復(fù)合增材制造，因此增加了復(fù)合增材制造分類。增材制造層層疊加的特性，容易出現(xiàn)應(yīng)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(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求，因此增加了后處理類。

4.4 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)與增材制造工藝標(biāo)準(zhǔn)一一對(duì)應(yīng)，主要用于規(guī)范增材制造設(shè)備性能、技術(shù)要求等。因后處理都是通用設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，無需增材制造專用設(shè)備，設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不包含后處理設(shè)備。

4.5 測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)包括試驗(yàn)方法、測(cè)試試件、評(píng)價(jià)方法和實(shí)施規(guī)范。主要對(duì)增材制造領(lǐng)域的專用材料、設(shè)備和成形件的特性試驗(yàn)方法、驗(yàn)收過程中的評(píng)價(jià)方法、技術(shù)指標(biāo)、性能判定、限值等級(jí)和報(bào)告內(nèi)容等進(jìn)行規(guī)定。其中，“試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”包括原材料特性、表面特性、幾何特性、機(jī)械特性、生物相容性、化學(xué)特性等性能試驗(yàn)，無損試驗(yàn)，工藝過程測(cè)試等方面的標(biāo)準(zhǔn)；“實(shí)施規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)”包括采購(gòu)規(guī)范、測(cè)試協(xié)議、驗(yàn)收規(guī)范等方面的標(biāo)準(zhǔn)；測(cè)試試件和評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)可參考傳統(tǒng)制造領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)。

5 困難與挑戰(zhàn)

增材制造技術(shù)正在快速發(fā)展，其設(shè)備、工藝都在不斷更新，增材制造技術(shù)在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)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(yàn)證的階段，可能會(huì)為增材制造標(biāo)準(zhǔn)的制定帶來一定的困難。

增材制造技術(shù)是信息技術(shù)、材料科學(xué)、制造技術(shù)等多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，所以其標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)需要多個(gè)行業(yè)、機(jī)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(shì)，突出政、產(chǎn)、學(xué)、研、用的結(jié)合，才能推動(dòng)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作快速、健康的發(fā)展。

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