李林凌 張嘯雨 余晨帆 譚滄海

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京，100094）

引言

被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的增材制造經(jīng)過近40 年的發(fā)展，在航空、航天、汽車、船舶、核工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域均有應(yīng)用。增材制造（又稱3D 打?。┦腔凇胺謱忧衅饘佣逊e”的思想，采用離散材料逐層累加原理制造實(shí)體零件，相對(duì)于傳統(tǒng)的減材制造和等材制造，增材制造技術(shù)將三維實(shí)體加工變?yōu)槿舾啥S平面加工，大大降低了制造的復(fù)雜度[1-3]。這種技術(shù)不受零件形狀和結(jié)構(gòu)的約束，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)。近年來，我國(guó)在增材制造技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面形成了一定的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)，部分應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)突破[4]。但是，由于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，未能及時(shí)、高效架起增材制造技術(shù)與其產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化銜接的橋梁，增材制造的優(yōu)越性沒有轉(zhuǎn)化為搶占市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)和提高產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)[5-6]，減緩了航天新研、高性能產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此，航天增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立顯得尤為必要和迫切。

1 增材制造業(yè)現(xiàn)狀

增材制造技術(shù)經(jīng)過近40 年的發(fā)展已漸趨成熟，全球增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年擴(kuò)大。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。美國(guó)增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會(huì)（Wohlers）2017 年的報(bào)告顯示，美國(guó)以36.8%的份額遙遙領(lǐng)先世界其他國(guó)家，中國(guó)、日本和德國(guó)占據(jù)第二梯隊(duì)[7]。

在增材制造各項(xiàng)因素中，3D 打印材料的地位逐漸提高。3D 打印材料在3D 打印業(yè)務(wù)中的市場(chǎng)規(guī)模占比約24.1%。2016 年～2019 年，全球3D 打印材料市場(chǎng)規(guī)模逐年上升，2020 年全球3D打印材料市場(chǎng)銷售規(guī)模約36 億美元。

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，在航空、航天、汽車、船舶、核工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，尤其在航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用比例占18%以上。2017 年～2020 年，我國(guó)3D 打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年增加，增加速度略快于全球整體增速，全球占比在不斷增加。根據(jù)2020 年3 月賽迪顧問發(fā)布的 《2019年全球及中國(guó)3D 打印行業(yè)數(shù)據(jù)》，2019 年中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為157.5 億元，較上年增加31.1%。

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)量得到了提升，產(chǎn)品成本逐步降低，其應(yīng)用正在從原型制造、樣件制造向更大規(guī)模的零部件制造方向發(fā)展。

2 國(guó)外增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀及趨勢(shì)

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/TC 261）和美國(guó)材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM F42）。ISO/TC 261 成立于2011 年，目前有14 個(gè)成員國(guó)和6 個(gè)觀察員國(guó)。ASTM F42 成立于2009 年，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。以上2 個(gè)組織在增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定方面進(jìn)行了深度合作。2012 年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）提出了增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略規(guī)劃，確定了增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃任務(wù)、優(yōu)先完善內(nèi)容等，以提高標(biāo)準(zhǔn)的整體性和易用性，實(shí)現(xiàn)ASTM F42 影響的最大化，避免標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)與矛盾[8]。

2015 年，ISO/TC 261 與ASTM F42 達(dá)成初步的標(biāo)準(zhǔn)工作框架協(xié)定，將增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架分為3 個(gè)層次。

a）通用標(biāo)準(zhǔn)制定，即最高級(jí)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，包括術(shù)語(yǔ)、測(cè)試方法、設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)等方面；

b）裝備分類、零件技術(shù)指標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)制定，即第二級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)；

c）具體材料、工藝和應(yīng)用方面的標(biāo)準(zhǔn)等，即第三級(jí)專用標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 和ASTM 聯(lián)手制定的3D 打印標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展體系，為3D 打印企業(yè)和機(jī)構(gòu)提供一個(gè)全面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)框架，其主要作用有以下幾個(gè)方面。

a）展示3D 打印相關(guān)行業(yè)內(nèi)的現(xiàn)狀，指引3D 工業(yè)專家和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)；

b）避免專家和機(jī)構(gòu)重復(fù)工作，建立標(biāo)準(zhǔn)中心；

c）優(yōu)先考慮最需要標(biāo)準(zhǔn)化的領(lǐng)域，凝聚各方力量；

d）增強(qiáng)3D 打印技術(shù)的易用性，激勵(lì)3D 應(yīng)用領(lǐng)域。

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。ISO/ASTM 已正式發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)見表1[9]。

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（遵照同一套標(biāo)準(zhǔn)體系）、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容高度統(tǒng)一（制定同一套標(biāo)準(zhǔn)）、開展標(biāo)準(zhǔn)化工作的專家隊(duì)伍構(gòu)成高度統(tǒng)一（同一批歐美專家以及部分亞洲專家）。在大力發(fā)展增材制造技術(shù)并推進(jìn)其發(fā)展的同時(shí)，也在積極開展增材制造標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建工作。

3 我國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀及趨勢(shì)

我國(guó)于2002 年開始開展增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化制定的相關(guān)工作，依托全國(guó)特種加工機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，主要針對(duì)快速成形機(jī)床產(chǎn)品制定了近10 項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但內(nèi)容較單一，標(biāo)準(zhǔn)沒有涉及關(guān)鍵共性技術(shù)、設(shè)計(jì)、工藝和方法、檢驗(yàn)與測(cè)試等方面的需求，很難全面反映國(guó)內(nèi)現(xiàn)有增材制造技術(shù)的研究水平。隨著國(guó)家出臺(tái)各項(xiàng)政策支持增材制造的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化工作也提出了要求?！对霾闹圃飚a(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015—2016 年）》明確提出要建立和完善產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，增材制造作為智能制造的核心技術(shù)，也是 《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》中的重要工作內(nèi)容。

2014 年7 月，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)機(jī)械科學(xué)研究總院中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC 261 的國(guó)內(nèi)技術(shù)對(duì)口單位，并推動(dòng)我國(guó)成為ISO/TC 261 的參與成員國(guó)（Participating Member）。2016 年，全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 562）正式成立，主要負(fù)責(zé)制修訂相關(guān)行業(yè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[10]，包括增材制造術(shù)語(yǔ)和定義、工藝方法、測(cè)試方法、質(zhì)量評(píng)價(jià)、軟件系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)服務(wù)等方面。

根據(jù)我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)構(gòu)成，從技術(shù)維度、保障維度及應(yīng)用領(lǐng)域維度，探索以通用基礎(chǔ)、增材制造軟件、材料、成形工藝、系統(tǒng)及部件、設(shè)備、成形件、檢測(cè)評(píng)估、技術(shù)服務(wù)共9 大部分組成的增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系框架，每部分由若干個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)子體系構(gòu)成。其中，增材制造成形件標(biāo)準(zhǔn)子體系主要包括面向工業(yè)制造、生物醫(yī)療、航空航天、消費(fèi)文化等領(lǐng)域制造的成形件標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國(guó)已發(fā)布及正在制修訂中的增材制造標(biāo)準(zhǔn)共有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)13 項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4 項(xiàng)（機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。

目前航空、航天領(lǐng)域增材制造產(chǎn)品占我國(guó)增材制造產(chǎn)品的18%以上，航天增材制造產(chǎn)品需求持續(xù)增長(zhǎng)。2019 年，由我國(guó)研制的世界首顆基于三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)商業(yè)星在軌成功飛行驗(yàn)證，然而，航天領(lǐng)域的增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還是空白。因此，加快航天領(lǐng)域增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)迫在眉睫。

4 建設(shè)我國(guó)航天領(lǐng)域增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系

4.1 國(guó)內(nèi)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

增材制造是一種融合多種技術(shù)的制造方式，涉及設(shè)計(jì)、工藝、材料、設(shè)備、后處理、檢驗(yàn)檢測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量安全到服務(wù)等多角度全產(chǎn)業(yè)鏈。目前，國(guó)內(nèi)增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系一方面借鑒國(guó)外增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系經(jīng)驗(yàn)，另一方面根據(jù)我國(guó)增材制造的巨大需求，從實(shí)踐上、理論上不斷完善增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

a）借鑒國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)體系經(jīng)驗(yàn)

ISO/TC 261 下設(shè)4 個(gè)工作組：術(shù)語(yǔ)、方法/工藝和材料、試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)[11]。ASTM F42 下設(shè)4 個(gè)分技術(shù)委員會(huì)：試驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)/材料、工藝/術(shù)語(yǔ)、戰(zhàn)略規(guī)劃（不以標(biāo)準(zhǔn)制修訂為主要業(yè)務(wù)）。遵循3 層次增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架，從基礎(chǔ)通用、工藝、材料、試驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)方法和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)6 大類開展標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。我國(guó)的增材制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系基本上按照3 層次增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架開展建設(shè)工作。

b）不斷完善標(biāo)準(zhǔn)體系

增材制造技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展得益于政策的引領(lǐng)和市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)。目前，增材制造的關(guān)鍵技術(shù)不斷得到突破，增材制造技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)不斷得到檢驗(yàn)，初步形成獨(dú)具特色的“增材制造服務(wù)”狀態(tài)：從采購(gòu)增材制造設(shè)備、材料到直接購(gòu)買全方位的增材制造服務(wù)，即服務(wù)企業(yè)接到增材制造服務(wù)需求后，服務(wù)企業(yè)根據(jù)需求就可以加工出所需的零件或產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立也參考ISO 和ASTM 聯(lián)手制定的3D 打印標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展體系。在不同領(lǐng)域的增材制造實(shí)踐的基礎(chǔ)上不斷完善建立相應(yīng)領(lǐng)域的增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，部分增材制造技術(shù)的環(huán)節(jié)還需要理論上的深入研究，促進(jìn)增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系完善和實(shí)際應(yīng)用[12]。

4.2 國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

結(jié)合增材制造技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系的研究情況，建立我國(guó)的增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系遵循了以下3 個(gè)原則。

a）目標(biāo)導(dǎo)向原則：以規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展、促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步、利于專業(yè)交流為導(dǎo)向，利用綜合標(biāo)準(zhǔn)化的思想建立標(biāo)準(zhǔn)體系。

b）系統(tǒng)分析原則：從全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈、全技術(shù)體系等維度開展分析，形成綜合性的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步的需求。

c）整體優(yōu)化原則：以整個(gè)產(chǎn)業(yè)的最優(yōu)配置協(xié)調(diào)上、中、下游的標(biāo)準(zhǔn)化需求，合理統(tǒng)一規(guī)劃，避免重復(fù)不匹配等問題。

航天增材制造產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：①產(chǎn)品的輕量化要求高；②產(chǎn)品研制進(jìn)度要求快；③產(chǎn)品特殊外形需求多；④內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)多余物（金屬粉末）控制要求嚴(yán)格；⑤零件內(nèi)部質(zhì)量控制要求高（不能有潛在缺陷）；⑥產(chǎn)品形狀精度控制要求高；⑦產(chǎn)品數(shù)量少。這些特點(diǎn)，部分與增材制造的優(yōu)勢(shì)相匹配，如產(chǎn)品輕量化、研制進(jìn)度快、特殊外形、個(gè)性化產(chǎn)品等；部分與增材制造自身的工藝、后處理、檢驗(yàn)評(píng)估等不匹配，如產(chǎn)品內(nèi)部空腔多余物不好控制、零件內(nèi)部質(zhì)量不便于檢驗(yàn)等。因此，有必要針對(duì)航天產(chǎn)品的行業(yè)特點(diǎn)需求，遵循目標(biāo)導(dǎo)向、系統(tǒng)分析、整體優(yōu)化原則，在軟件及數(shù)據(jù)處理、設(shè)計(jì)、材料、工藝、設(shè)備、系統(tǒng)及部件、后處理、檢驗(yàn)評(píng)估、技術(shù)服務(wù)等環(huán)節(jié)，規(guī)范航天領(lǐng)域增材制造全流程業(yè)務(wù)，提高增材制造航天產(chǎn)品質(zhì)量，提升航天領(lǐng)域增材制造產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，搶占航天領(lǐng)域增材制造國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制高點(diǎn)。

從我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的狀況來看，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)發(fā)展迅速，領(lǐng)域滲透廣泛。航天增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)同樣需要政府引領(lǐng)和市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)。有了政府的引導(dǎo)，便于目標(biāo)導(dǎo)向、系統(tǒng)分析和整體優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)；在市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，工業(yè)研制部門結(jié)合增材制造的優(yōu)點(diǎn)，參考原研制方法的工藝過程，制定出新型加工方式的工藝方法、檢測(cè)方法、評(píng)價(jià)方法等，做到既要釋放新型加工方式的優(yōu)越性，又要保障新型加工方式的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。

在標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建設(shè)中，由有義務(wù)、有基礎(chǔ)、有能力的標(biāo)準(zhǔn)化科研院所、高校、企業(yè)等單位牽頭開展航天領(lǐng)域增材指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)工作。參與航天領(lǐng)域增材制造的各單位從全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈、全技術(shù)體系等維度自發(fā)完善航天領(lǐng)域增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

5 結(jié)束語(yǔ)

航天領(lǐng)域增材制造產(chǎn)品需求持續(xù)增長(zhǎng)，基于航天增材制造產(chǎn)品的特點(diǎn)和宇航級(jí)產(chǎn)品品質(zhì)需求建立航天領(lǐng)域增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)迫在眉睫，借助我國(guó)初步建立的增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，致力于提升航天產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

結(jié)合航天增材制造產(chǎn)品的特點(diǎn)，以增材制造工業(yè)研制部門為龍頭，梳理航天領(lǐng)域增材制造技術(shù)各個(gè)環(huán)節(jié)，研究制約增材制造技術(shù)發(fā)展的相關(guān)理論，在增材制造實(shí)踐過程中不斷完善設(shè)計(jì)、工藝、后處理、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)，匯聚標(biāo)準(zhǔn)化科研院所、高校、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和學(xué)協(xié)會(huì)等各方力量。通過構(gòu)建航天領(lǐng)域增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)航天領(lǐng)域增材制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)航天增材制造技術(shù)成果的累積、固化和推廣應(yīng)用，為航天領(lǐng)域快速、高性能制造提供技術(shù)支撐。

航天是當(dāng)今世界科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，其發(fā)展離不開兼具輕量化、難加工、高性能、高精度等特征的宇航產(chǎn)品。增材制造為宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造開辟了新的工藝途徑，可應(yīng)對(duì)航天領(lǐng)域發(fā)展過程中對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、工藝、性能及應(yīng)用等提出的新挑戰(zhàn)。唯有吸收國(guó)內(nèi)外增材制造技術(shù)體系建立的經(jīng)驗(yàn)，凝聚各行業(yè)領(lǐng)域力量，才能建立體系完備、可執(zhí)行度高的航天領(lǐng)域增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。