栗曉飛

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京100028）

增材制造的特點是無需模具、可快速成形、可制造復(fù)雜的幾何構(gòu)型，具有材料制備過程與零件成形過程一體化的特征,改變了傳統(tǒng)以制造性和經(jīng)驗性引導(dǎo)設(shè)計的理念，以功能性及最優(yōu)設(shè)計引導(dǎo)產(chǎn)品的制造。因此，增材制造在原材料利用率、制造自由度、功能性最優(yōu)設(shè)計等方面具有明顯優(yōu)勢，尤其適用于小批量、定制化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工制造。

近年來，增材制造技術(shù)在航空航天、醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用呈現(xiàn)爆發(fā)性增長，且結(jié)構(gòu)減重、性能優(yōu)化、個性化定制等方面的優(yōu)勢日益凸顯，對于標(biāo)準(zhǔn)的需求也變得更加強(qiáng)烈。增材制造作為一項新興的技術(shù)，其產(chǎn)品最終能否工程化應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)規(guī)模能否擴(kuò)大主要取決于其產(chǎn)品質(zhì)量是否滿足用戶要求、能否提升產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的綜合效益。因而，如何保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性與一致性、如何促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈各節(jié)點用戶的協(xié)調(diào)與溝通以及如何提升傳統(tǒng)制造業(yè)與增材制造融合發(fā)展等方面的需求是目前標(biāo)準(zhǔn)化工作的重點方向。作為一項新興技術(shù)，增材制造行業(yè)內(nèi)部需要有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一說法、統(tǒng)一規(guī)定、統(tǒng)一要求、統(tǒng)一相關(guān)人員及單位之間的溝通與交流。

1 國外增材制造標(biāo)準(zhǔn)分類

國外增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展是伴隨著技術(shù)進(jìn)步與行業(yè)應(yīng)用而逐步發(fā)展起來的。目前，在增材制造標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域較活躍的標(biāo)準(zhǔn)化組織包括國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/增材制造技術(shù)委員會（ISO/TC261）、國際自動機(jī)工程師學(xué)會（SAE）、美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）、德國工程師協(xié)會（VDI）、德國航空航天標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（DIN）、德國勞氏船級社（DNV GL）等，其他也有標(biāo)準(zhǔn)化組織均積極參與到標(biāo)準(zhǔn)的制定中，并對已經(jīng)發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了等同轉(zhuǎn)化，例如英國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（BSI）、法國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（AFNOR）等。

截止2020年5月31日，國外發(fā)布及制定中的增材制造標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)230多項。由于ASTM與ISO是聯(lián)合制定或發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，查重后共計有207項標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布或制定中，其中已發(fā)布92項，制定中115項。針對這些現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，圍繞增材制造價值鏈進(jìn)行大致分類，得到圖1所示的樹狀圖。

圖1 國外增材制造標(biāo)準(zhǔn)分類

2 國外增材制造標(biāo)準(zhǔn)解析

2.1 術(shù)語定義

術(shù)語定義標(biāo)準(zhǔn)通常代表著一種技術(shù)從實驗室階段開始進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用，從事該領(lǐng)域的技術(shù)人員需要在信息表達(dá)、學(xué)術(shù)交流及商業(yè)活動中使用統(tǒng)一規(guī)范的語言，并且這種語言應(yīng)該是科學(xué)、準(zhǔn)確、無歧義的。國外現(xiàn)有的術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)包括ISO/ASTM 52900-2015、VDI 3405兩份，同時ISO/ASTM 52900正在進(jìn)行修訂，進(jìn)一步完善增材制造領(lǐng)域的相關(guān)術(shù)語。術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)中定義的是通用場合下的詞匯，在特定行業(yè)領(lǐng)域中，某些詞匯會有其特定含義，這類術(shù)語的表述則應(yīng)該在具體標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語定義章節(jié)進(jìn)行規(guī)定。

2.2 設(shè)計

設(shè)計類標(biāo)準(zhǔn)主要是指產(chǎn)品設(shè)計人員直接使用的、最終形成的以及在初始技術(shù)選用時所需要參考或執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，這里的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是頂層通用的標(biāo)準(zhǔn)，并不是企業(yè)內(nèi)部針對具體零件所形成的設(shè)計規(guī)范，并且在設(shè)計時所需引用并明確的測試方法、材料規(guī)范及工藝規(guī)范等包含在后續(xù)的框架中，此處不再贅述。

2.2.1 產(chǎn)品定義

產(chǎn)品定義屬于產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的一部分。針對于增材制造產(chǎn)品，其數(shù)字化設(shè)計流程是在傳統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計流程的基礎(chǔ)上改進(jìn)，因此這里僅包含了增材制造特有的數(shù)字化產(chǎn)品模型標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)從增材制造產(chǎn)品標(biāo)注的輔助集合、產(chǎn)品與工藝定義、產(chǎn)品數(shù)據(jù)包等方面進(jìn)行了規(guī)定，可用于統(tǒng)一規(guī)范設(shè)計、制造和檢測中相關(guān)的AM詳細(xì)信息。

2.2.2 設(shè)計選用

設(shè)計選用是在傳統(tǒng)制造技術(shù)與增材制造技術(shù)之間選擇的通用流程與要求。該部分中目前包括了選用流程與要求、進(jìn)行選用決策的指南，為綜合考慮增材制造技術(shù)的優(yōu)勢、選用增材制造開展相關(guān)工作提供指導(dǎo)與依據(jù)。

2.2.3 設(shè)計指南

設(shè)計指南是指提供各類增材制造的工藝優(yōu)勢、約束以及典型的特征結(jié)構(gòu)推薦。設(shè)計指南類標(biāo)準(zhǔn)重點是用于推廣增材制造技術(shù)，讓更多用戶理解并明確如何采用更合適的增材制造工藝，并指導(dǎo)用戶產(chǎn)品設(shè)計中規(guī)避因工藝約束所導(dǎo)致的不良設(shè)計結(jié)構(gòu)。

2.2.4 數(shù)據(jù)文件

數(shù)據(jù)文件主要用于規(guī)范增材制造特有的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)處理流程以及隨零件交付的數(shù)據(jù)包等相關(guān)要求。通過這些標(biāo)準(zhǔn)，可以促進(jìn)更適用于增材制造的3MF及AMF數(shù)據(jù)格式的推廣與應(yīng)用，減少數(shù)據(jù)在整個流程處理中所產(chǎn)生的丟失或損壞，形成更加優(yōu)化、完整的數(shù)據(jù)流；同時，詳盡的數(shù)據(jù)包信息更加有利于增材制造零件的后期使用、維護(hù)與保障。

2.3 原材料

原材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要用于原材料的采購與驗收、質(zhì)量控制、技術(shù)指標(biāo)項的選取及推薦測試方法，其具體指標(biāo)項目的檢測可采用通用測試技術(shù)或在檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的專用測試技術(shù)。

2.3.1 原材料規(guī)范

原材料規(guī)范用于供需雙方的采購與驗收，這是一類最常見也最為國內(nèi)技術(shù)人員了解的標(biāo)準(zhǔn)，但同時也是目前易出現(xiàn)問題的一類標(biāo)準(zhǔn)。若將原材料規(guī)范的內(nèi)涵與原材料鑒定相混淆，會導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)適用范圍出現(xiàn)偏差。需要注意的是，國外原材料規(guī)范針對的標(biāo)準(zhǔn)化對象與國內(nèi)存在一定差異，參考時需注意相關(guān)的要求。國外以單一牌號為標(biāo)準(zhǔn)化對象，通過區(qū)分不同的粒度及粒度分布，可適用于多類增材制造工藝；國內(nèi)通常習(xí)慣以一類工藝所用的一類材料為標(biāo)準(zhǔn)化對象，標(biāo)準(zhǔn)中多個牌號采用相對統(tǒng)一的粒度及粒度分布。

2.3.2 生產(chǎn)過程控制

在對質(zhì)量要求嚴(yán)苛的高端裝備領(lǐng)域（例如航空航天），對于產(chǎn)品質(zhì)量的一致性、穩(wěn)定性及可追溯性具有嚴(yán)格的要求，這就需要對于原材料生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，建立相應(yīng)的過程控制文件（PCD）等相關(guān)文件。生產(chǎn)過程控制類標(biāo)準(zhǔn)就是用于指導(dǎo)建立PCD而使用，目前AMS 7002A版正在修訂中。

2.3.3 性能表征

性能表征主要用于明確針對增材制造用原材料所需的技術(shù)指標(biāo)項目的選取，并給出推薦的測試方法，目前主要包括金屬粉末原材料以及熔融沉積成形用絲材兩類。這類標(biāo)準(zhǔn)一般不直接用于粉末的指標(biāo)確定與檢測，而是間接指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員對于指標(biāo)及檢測方法的選取。

2.3.4 原材料分級

在目前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀下，各家企業(yè)對于金屬粉末原材料的粒度要求都各不相同，包括0～53、15～53、15～65μm等。在原材料分級標(biāo)準(zhǔn)中，目前的做法是將這些粒度及分布用統(tǒng)一的規(guī)則進(jìn)行表述。

2.4 工藝

工藝類標(biāo)準(zhǔn)主要包括現(xiàn)有工藝的分類、設(shè)備的要求、驗收與檢驗，以及各個工藝的過程控制等。需要明確的是，工藝標(biāo)準(zhǔn)不是傳統(tǒng)意義上企業(yè)用的工藝規(guī)范，而是指導(dǎo)企業(yè)根據(jù)各類工藝的關(guān)鍵參數(shù)指定工藝規(guī)范，從而實現(xiàn)過程控制。

2.4.1 工藝基礎(chǔ)

工藝基礎(chǔ)主要包括工藝分類、工藝設(shè)備的要求及驗收檢驗標(biāo)準(zhǔn)等方面，為整個工藝實施提供基礎(chǔ)性保障。

2.4.2 工藝過程控制

制定工藝過程控制的關(guān)鍵目的是建立PCD，形成定型工藝，從而建立材料規(guī)范中的組批驗收值，這類標(biāo)準(zhǔn)涉及了大部分工業(yè)應(yīng)用的增材制造技術(shù)。

2.4.3 后處理

目前的后處理標(biāo)準(zhǔn)大都涉及金屬制件產(chǎn)品，包括了熱處理、熱等靜壓、電化學(xué)拋光等方面。類似于工藝過程控制標(biāo)準(zhǔn)，后處理標(biāo)準(zhǔn)中主要以每類后處理工藝過程控制要求為主，同時也會針對每個牌號的材料給出推薦的工藝參數(shù)。

2.5 成形制件及產(chǎn)品

成形制件及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要包括了增材制造產(chǎn)品的采購要求、性能規(guī)范、研制驗證、分級分類以及性能數(shù)據(jù)等相關(guān)方面。

2.5.1 采購要求

采購要求主要用于規(guī)定客戶與零件供應(yīng)商在訂購時所需明確的技術(shù)要素，包括客戶訂購信息、零件定義數(shù)據(jù)、原料要求、最終零件性能、檢驗要求及零件驗收方法，以避免客戶在采購零件時與供方發(fā)生不必要的糾紛。

2.5.2 性能規(guī)范

增材制造技術(shù)將原材料（粉末、液體或絲材）直接成形為結(jié)構(gòu)毛坯或產(chǎn)品，得到的是一類帶有結(jié)構(gòu)的特殊材料制品，因此目前很多規(guī)范并非是針對最終零件的產(chǎn)品規(guī)范，而是規(guī)定這類材料制品性能的性能規(guī)范。在SAE標(biāo)準(zhǔn)中，相對應(yīng)的是材料規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)中主要規(guī)定化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能、熱處理及無損檢驗等要求；而在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中，一般稱之為某某合金規(guī)范或增材制造規(guī)范，內(nèi)容上則擴(kuò)展了對原材料及制造過程的規(guī)定。

2.5.3 研制驗證

主要包括產(chǎn)品研制的流程、零件驗證指南及針對成形特征的統(tǒng)計驗證要求。研制流程與成形零件的驗證是規(guī)范、統(tǒng)一增材制造技術(shù)在各型號產(chǎn)品研制中的基礎(chǔ)，本框架下的標(biāo)準(zhǔn)可為用戶單位開展增材制造產(chǎn)品研制及驗證提供指導(dǎo)；同時，增材制造會涉及很多新的種類、結(jié)構(gòu)特征，并存在不同結(jié)構(gòu)特征、性能及質(zhì)量要求的情況，目前VDI正計劃開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定工作，可為今后增材制造產(chǎn)品研制及驗證提供更有意義的借鑒與參考。

2.5.4 分級分類

分級分類主要針對增材制造在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，而零件的質(zhì)量等級分類越來越受到各類用戶的關(guān)注，直接關(guān)系到產(chǎn)品研制、生產(chǎn)及檢測評估中對于材料及制件鑒定、質(zhì)量控制、缺陷閾值等要求的界定。目前，VDI、ASTM、ISO等都已開展了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究與編制。

2.5.5 性能數(shù)據(jù)

性能數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括兩大類：性能數(shù)據(jù)提交指南與性能數(shù)據(jù)表。前者是SAE針對于后續(xù)制定的AMS標(biāo)準(zhǔn)中所提交性能數(shù)據(jù)的基本規(guī)范性要求，以保證數(shù)據(jù)具有可統(tǒng)計性與參考價值；后者是VDI針對于同一牌號金屬材料實際性能測量數(shù)據(jù)給出的性能數(shù)據(jù)區(qū)間，形成數(shù)據(jù)統(tǒng)計表格，以供所有用戶參考、了解行業(yè)內(nèi)的普遍技術(shù)水平。

2.6 檢測技術(shù)

檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一直以來都受到各方的廣泛關(guān)注，現(xiàn)主要包括測試基礎(chǔ)、測試指南、測試方法、檢測評估及試樣制備等標(biāo)準(zhǔn)。

2.6.1 測試基礎(chǔ)

主要包括針對增材制造的技術(shù)特點（例如零件對于在成形空間內(nèi)的取向及位置的相關(guān)性）、力學(xué)性能裕度選擇的差異以及實驗室之間的數(shù)據(jù)共享與比對等需求而開展的標(biāo)準(zhǔn)化工作，對于增材制造產(chǎn)品的最終型號應(yīng)用具有重要意義。

2.6.2 測試指南

主要包括采用常規(guī)測試方法進(jìn)行增材制造測試的指導(dǎo)性建議以及針對于增材制造產(chǎn)品特點的專用測試技術(shù)指南，指導(dǎo)用戶采用更適合的方法對增材制造材料性能開展測試與表征。其中，指導(dǎo)性建議主要包括了機(jī)械性能、物理性能、無損檢測及在線監(jiān)測等標(biāo)準(zhǔn)；專用方法主要指在增材制造零件中人工植入缺陷的方法，覆蓋金屬材料、聚合物材料、砂型及陶瓷材料等方面。

2.6.3 測試方法

測試方法主要針對于粉末表征及點陣結(jié)構(gòu)的表征需求，采用FT4粉末流變儀進(jìn)行粉末流動性表征方法及采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)開展的有序胞元等效拉伸、壓縮及剪切性能測試方法的標(biāo)準(zhǔn)研究與制定。

2.6.4 測試評估

主要包括了對于增材制造系統(tǒng)能力、后處理及工業(yè)生產(chǎn)廠所開展的評估技術(shù)及鑒定檢驗方面的指導(dǎo)性建議，用于對相應(yīng)環(huán)節(jié)的軟硬件技術(shù)能力開展評估與鑒定。

2.6.5 試樣制備

目前僅涉及針對于聚合物激光粉末床熔融技術(shù)的試樣制備標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)ISO與ASTM會聯(lián)合開展金屬材料的試樣制備標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定。

2.7 鑒定與認(rèn)證

鑒定與認(rèn)證類標(biāo)準(zhǔn)主要包括了針對增材制造生產(chǎn)中的人、機(jī)、料、法、環(huán)、供等方面鑒定與認(rèn)證需求所制定的標(biāo)準(zhǔn)。其中，在人員方面主要針對激光粉末床熔融、電子束粉末床熔融、激光定向能量沉積以及電弧定向能量沉積等四大類技術(shù)操作人員，特別是定義了一類新的技術(shù)人員（即生產(chǎn)協(xié)同員）的鑒定標(biāo)準(zhǔn)；在設(shè)備方面重點包括了設(shè)備的安裝、操作及性能的合格鑒定；在材料方面涉及了原材料及成形材料的鑒定與批準(zhǔn)；在方法方面包括工藝控制與鑒定準(zhǔn)則；在環(huán)境方面主要對增材制造場所開展鑒定標(biāo)準(zhǔn)制定；在供應(yīng)商方面則主要指性能審查協(xié)會（PRI）制定的供應(yīng)商審核準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)。

2.8 環(huán)境健康與安全

在環(huán)境健康與安全方面，目前主要有ISO、ASTM、VDI等相關(guān)組織開展標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定。該類標(biāo)準(zhǔn)主要包括風(fēng)險等級及安全防護(hù)指南頂層指導(dǎo)、增材制造場地設(shè)施安全審核、金屬與聚合物增材制造設(shè)備用戶操作安全管理、金屬粉末的安全使用、非工業(yè)區(qū)域公共環(huán)境下材料擠出式3D打印機(jī)有害物質(zhì)排放要求及檢測，從安全管理要求、測試方法等方面建立環(huán)境健康與安全標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.9 修理

在增材制造修理方面，目前僅發(fā)布了1項標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-3049，規(guī)范了將定向能量沉積技術(shù)用于再制造、尺寸修復(fù)及涂層重涂覆的研制流程性要求。SAE在2015年成立的增材制造修理技術(shù)委員會正在針對于增材制造修理技術(shù)開展標(biāo)準(zhǔn)化工作，參考了增材制造直接成形標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，重點關(guān)注修理技術(shù)流程、不同層次的各類規(guī)范、修理后的機(jī)械性能與評估、工藝穩(wěn)定性及檢測等系列問題，目前已初步形成標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)。后續(xù)該技術(shù)委員會將從上述幾方面開始著手相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究與編制。

2.10醫(yī)療

增材制造在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，需求也非常迫切。在醫(yī)療方面，ASTM重點關(guān)注了醫(yī)用粉末床熔融工藝粉末循環(huán)再利用以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)中殘余物去除的評估方面，同時對于醫(yī)療設(shè)備增材制造工藝過程確認(rèn)也開展了指南的編制，有力指導(dǎo)、推動了增材制造在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。在性能規(guī)范的編制方面，ASTM正在編制醫(yī)用Ti6Al4V（ELI）粉末床熔融增材制造規(guī)范。

3 結(jié)論

通過對國外增材制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類解析，發(fā)現(xiàn)國外增材制造標(biāo)準(zhǔn)具有以下特點：

（1）價值鏈主線：國外標(biāo)準(zhǔn)整體圍繞增材制造價值鏈，涉及增材制造全流程，以產(chǎn)品應(yīng)用及市場化需求為導(dǎo)向，注重價值鏈各節(jié)點內(nèi)部及相互之間的價值實現(xiàn)。

（2）強(qiáng)調(diào)閉環(huán)控制：圍繞增材制造產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、驗收等全流程各環(huán)節(jié)制定標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)重各環(huán)節(jié)的過程控制與整個過程的閉環(huán)。

（3）社會團(tuán)體主導(dǎo)：除了3項ISO標(biāo)準(zhǔn)及1項美軍標(biāo)外，其他標(biāo)準(zhǔn)都是團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)協(xié)會主導(dǎo)，或帶有較為濃重的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)特色，更好地支撐了增材制造技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用需求。

綜上所述，國內(nèi)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作應(yīng)充分借鑒國外的實踐經(jīng)驗與成果，結(jié)合國內(nèi)以國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等政府主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的特點，積極推薦先進(jìn)的社會團(tuán)體，共同開展增材制造的標(biāo)準(zhǔn)化工作。