增材制造標準體系建設探討*

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、系統性不足的問題嚴重制約了增材制造的產業化發展的現狀，文章介紹了我國增材制造標準體系建設的構建思路、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，全球范圍內正在爆發以信息化、智能化為核心的新一輪產業革命，增材制造技術具有數字化、智能化的特點，是未來產業發展新的增長點。以美國、德國為首的制造業強國紛紛出臺相關政策措施，甚至將增材制造作為國家戰略加以支持。在政策的引領和市場的驅動下，我國增材制造產業迅速發展，關鍵技術不斷突破，應用領域日益拓展，產業聚集區不斷涌現。

增材制造（通常又稱3D打印）是相對于減材制造和等材制造，以三維模型數據為基礎，通常采用材料逐層堆積的方式來制造零件或實物的工藝，已經成為引領科技創新和推動產業變革的關鍵技術。

1 增材制造產業發展概況

增材制造技術經過30多年的發展已經逐漸趨于成熟，全球增材制造產業規模逐年擴大[1]。據美國增材制造技術咨詢服務協會（Wohlers）2017年度報告顯示，過去20余年間，全球增材制造產業年復合增長率達到27.3%。截至2016年，全球增材制造行業市場規模達到了60.63億美元，預計到2020年增材制造產業有望達到210億美元。

近年來，為了發展先進制造業、搶占科技創新制高點，推進增材制造技術研究和產業化應用，美國、德國、日本等世界工業強國，紛紛制定了發展增材制造的國家戰略和具體推動措施[2]。據Wohlers2017年的最新報告顯示，美國以36.8%的份額遙遙領先，中國、日本和德國占據第二梯隊[3]。在應用領域方面，增材制造技術已經在航空、航天、機械、汽車、醫療、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。在產品應用方面，隨著增材制造技術的成熟和產業的迅速發展，增材制造產品的質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、樣機制造向更大規模的航空航天產品零部件制造、醫療領域人工定制化假體制造等方面不斷發展。先進的制造技術與產品創新設計相融合，可大幅度地提高產品性能，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等關鍵技術逐漸突破，為增材制造技術的產業化應用提供了保障。

我國作為制造業大國，在增材制造技術發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展對象，連續出臺多項政策推動增材制造技術的發展，對增材制造技術研發、產業應用、標準化制定等給予了大力支持；設立“增材制造與激光制造”的國家重點研發計劃等專項，大力發展增材制造；以陜西省渭南3D打印產業基地、杭州蕭山區“未來智造小鎮”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業進行扶持，支持增材制造技術研究和產業發展，產業聚集區不斷涌現。可以說，我國已經成為全球最具潛力的增材制造市場。

2 國內外增材制造標準化現狀

2.1 增材制造國際標準化現狀

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新研究所和國家標準協會合作發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狀，列出了93個行業標準的缺口，并將其中18個缺口確定為高優先級缺口。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、德國等工業發達國家發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布情況

國際增材制造標準化呈現出“高度統一”的特點，即：標準體系高度統一、標準內容高度統一、開展標準化工作的專家隊伍構成高度統一。由此可以看出，世界各國在大力發展增材制造技術并推進其產業化發展的同時，都在積極開展增材制造標準化工作。

2.2 增材制造國內標準化現狀

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ISO/ASTM52900:2015標準，統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合當時技術現狀和國內增材制造行業發展的迫切需求而提出的，缺乏對未來技術發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）科學規劃，協同發展。全面落實標準化工作改革要求，充分考慮我國增材制造產業特點，積極對接國際標準，合理規劃標準體系布局，充分利用政府、社會、市場等各方面的優勢，實現國家標準、行業標準、團體標準和企業標準的協同發展。

b）急用先行，協調配套。全面部署，集中攻堅，優先制定產業急需標準，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化為技術標準，解決標準間的協調配套不足的問題。

c）動態更新，持續完善。跟蹤國際增材制造標準化發展趨勢，結合我國增材制造標準化重點工作，采取動態管理的方式，不斷修訂和完善體系架構，保證標準體系與增材制造技術發展相協調。

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標準。解決增材制造標準缺失、滯后、系統性不足的問題，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業鏈、全價值鏈的標準體系，指導增材制造產業規范、健康發展。

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件類似的設計循環。設計標準包括3大類：設計指南、文件格式、數據交換。其中，“設計指南標準”主要包括產品設計、模型設計等標準；“文件格式標準”主要用于規范增材制造專用文件格式，包括AMF、3MF文件格式等標準；“數據交換標準”主要以如何應用STL、IGES、STEP等標準更好地實現系統的數據交換為主，包括數據處理、數據接口、數據儲存等標準。

4.2 材料標準

材料標準主要用于規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、液態金屬等形態。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。

●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。

●生物材料標準主要包括生物醫用高分子材料、醫用金屬材料、醫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，在醫療健康領域具有非常廣闊的應用前景，技術更新快，標準發展迅速。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，完成零件或實物制造，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，容易出現應力集中、孔隙等缺陷，部分工藝后期需要經過后處理才能達到產品質量要求，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，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、限值等級和報告內容等進行規定。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；“實施規范標準”包括采購規范、測試協議、驗收規范等方面的標準；測試試件和評價方法標準可參考傳統制造領域標準。

5 困難與挑戰

增材制造技術正在快速發展，其設備、工藝都在不斷更新，增材制造技術在航空航天、醫療等領域的應用和制造環節存在的問題尚未完全被發現，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物，所以其標準體系的建設需要多個行業、機構、企業之間充分交流，互相協作。只有站在全局的高度，發揮各家優勢，突出政、產、學、研、用的結合，才能推動增材制造標準體系建設工作快速、健康的發展。

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展規劃提供技術路線，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、重復等現象。而隨著增材制造技術的迅速發展，產業格局的不斷優化，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展相協調。