增材制造标准体系建设探讨*

王耿 明宪良 汪小明 朱荣全 唐晔

（北京遥感设备研究所，北京，100854）

文 摘：针对增材制造标准缺失、滞后、系统性不足的问题严重制约了增材制造的产业化发展的现状，文章介绍了我国增材制造标准体系建设的构建思路、原则、目标与困难，以期更好地服务我国增材制造标准体系建设和应用工作。

目前，全球范围内正在爆发以信息化、智能化为核心的新一轮产业革命，增材制造技术具有数字化、智能化的特点，是未来产业发展新的增长点。以美国、德国为首的制造业强国纷纷出台相关政策措施，甚至将增材制造作为国家战略加以支持。在政策的引领和市场的驱动下，我国增材制造产业迅速发展，关键技术不断突破，应用领域日益拓展，产业聚集区不断涌现。

增材制造（通常又称3D打印）是相对于减材制造和等材制造，以三维模型数据为基础，通常采用材料逐层堆积的方式来制造零件或实物的工艺，已经成为引领科技创新和推动产业变革的关键技术。

1 增材制造产业发展概况

增材制造技术经过30多年的发展已经逐渐趋于成熟，全球增材制造产业规模逐年扩大[1]。据美国增材制造技术咨询服务协会（Wohlers）2017年度报告显示，过去20余年间，全球增材制造产业年复合增长率达到27.3%。截至2016年，全球增材制造行业市场规模达到了60.63亿美元，预计到2020年增材制造产业有望达到210亿美元。

近年来，为了发展先进制造业、抢占科技创新制高点，推进增材制造技术研究和产业化应用，美国、德国、日本等世界工业强国，纷纷制定了发展增材制造的国家战略和具体推动措施[2]。据Wohlers2017年的最新报告显示，美国以36.8%的份额遥遥领先，中国、日本和德国占据第二梯队[3]。在应用领域方面，增材制造技术已经在航空、航天、机械、汽车、医疗、电子等领域均有广泛应用，尤其在航空、航天领域应用比例均占18%以上。在产品应用方面，随着增材制造技术的成熟和产业的迅速发展，增材制造产品的质量得以提升而成本有所下降。增材制造技术正在从原型制造、样机制造向更大规模的航空航天产品零部件制造、医疗领域人工定制化假体制造等方面不断发展。先进的制造技术与产品创新设计相融合，可大幅度地提高产品性能，是未来增材制造技术应用的主要方向。同时，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统等关键技术逐渐突破，为增材制造技术的产业化应用提供了保障。

我国作为制造业大国，在增材制造技术发展上取得的成就也是可圈可点，截至2016年我国增材制造设备的总装机量占全球总量的10.3%，位居全球第二。特别是从2015年以来，国家将增材制造技术作为重点发展对象，连续出台多项政策推动增材制造技术的发展，对增材制造技术研发、产业应用、标准化制定等给予了大力支持；设立“增材制造与激光制造”的国家重点研发计划等专项，大力发展增材制造；以陕西省渭南3D打印产业基地、杭州萧山区“未来智造小镇”等为突出先例的各级地方政府也纷纷出台有关政策，对增材制造等重点产业进行扶持，支持增材制造技术研究和产业发展，产业聚集区不断涌现。可以说，我国已经成为全球最具潜力的增材制造市场。

2 国内外增材制造标准化现状

2.1 增材制造国际标准化现状

目前，国际上开展增材制造标准化工作的组织主要是国际标准化组织（ISO/TC261） 和美国材料与实验协会（ASTMF42）。ASTMF42成立于2009年，下设试验方法、设计、材料和工艺等分委员会，目前该委员会包括来自10个国家的100多个成员单位。ISO/TC261成立于2011年，目前有14个成员国和6个观察员国，并且与ASTM在增材制造技术标准制定方面进行深度合作。2018年在美国国防部的资助下，美国国家增材制造创新研究所和国家标准协会合作发布了其增材制造标准化路线图2.0版本，概述了增材制造标准化的当前现状，列出了93个行业标准的缺口，并将其中18个缺口确定为高优先级缺口。这一举动为制定增材制造标准确定了指导方向，也标志着美国的增材制造标准工作走在世界前列。近年来，美国、德国等工业发达国家发布增材制造标准达到近60项，其中80%以上集中在近三至四年制定（见表1）。

表1 主要国际/国外增材制造标准发布情况

国际增材制造标准化呈现出“高度统一”的特点，即：标准体系高度统一、标准内容高度统一、开展标准化工作的专家队伍构成高度统一。由此可以看出，世界各国在大力发展增材制造技术并推进其产业化发展的同时，都在积极开展增材制造标准化工作。

2.2 增材制造国内标准化现状

我国于2016年成立了全国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC562），首次将增材制造技术标准化工作提升到了国家层面。技术委员会成立后立刻着手制定了增材制造术语标准，依据ISO/ASTM52900:2015标准，统一了增材制造领域的最基本概念。ISO/ASTM52900:2015将增材制造技术按照其工艺特性划分为7大类：粉末床熔融、定向能量沉积、材料喷射、材料挤出、立体光固化、薄材叠层和黏结剂喷射，从而，避免了像SLM、FDM等名词乱用。该标准的分类已成为国际通用的分类方法。

由于我国增材制造标准化工作起步较晚，没有专门开展过增材制造标准体系研究工作，导致仅有的几项标准都是结合当时技术现状和国内增材制造行业发展的迫切需求而提出的，缺乏对未来技术发展趋势的预测和考虑，标准的适用性和科学性大打折扣。不仅如此，由于标准体系的缺失，整个增材制造标准化工作不能有步骤、有计划地开展，制约了增材制造标准化工作的开展。因此，建立起一套行之有效的增材制造标准体系必要且紧迫。

3 标准体系的建设原则与目标

3.1 基本原则

a）科学规划，协同发展。全面落实标准化工作改革要求，充分考虑我国增材制造产业特点，积极对接国际标准，合理规划标准体系布局，充分利用政府、社会、市场等各方面的优势，实现国家标准、行业标准、团体标准和企业标准的协同发展。

b）急用先行，协调配套。全面部署，集中攻坚，优先制定产业急需标准，重点制定交叉融合、成体系、成系列的标准综合体，加快促进科技成果转化为技术标准，解决标准间的协调配套不足的问题。

c）动态更新，持续完善。跟踪国际增材制造标准化发展趋势，结合我国增材制造标准化重点工作，采取动态管理的方式，不断修订和完善体系架构，保证标准体系与增材制造技术发展相协调。

3.2 建设目标

建立立足国情、对接国际的增材制造标准体系。围绕增材制造创新设计、专用材料、工艺、设备、测试方法、云服务平台等重点领域，制定出基础通用的增材制造国家和行业标准。解决增材制造标准缺失、滞后、系统性不足的问题，指导增材制造的标准化工作。

4 标准体系建设思路

增材制造具有多学科交叉的技术特点，需要综合考虑增材制造产品的设计、材料、工艺、设备、后处理、检验检测等多种因素，进而建立起一套全产业链、全价值链的标准体系，指导增材制造产业规范、健康发展。

4.1 设计标准

设计标准主要用于指导增材制造模型设计，是增材制造产品形成的基础，是推动新颖的非专利设计方法与工具的技术进步，并使增材制造零部件的设计打破与传统件类似的设计循环。设计标准包括3大类：设计指南、文件格式、数据交换。其中，“设计指南标准”主要包括产品设计、模型设计等标准；“文件格式标准”主要用于规范增材制造专用文件格式，包括AMF、3MF文件格式等标准；“数据交换标准”主要以如何应用STL、IGES、STEP等标准更好地实现系统的数据交换为主，包括数据处理、数据接口、数据储存等标准。

4.2 材料标准

材料标准主要用于规范增材制造专用材料性能，包括4大类标准：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和生物材料等。

●金属材料标准包括有色金属和黑色金属两类标准，涉及金属粉末、金属丝、液态金属等形态。其中，有色金属标准包括钛合金、铝合金、金属间化合物等标准；黑色金属标准包括高温合金、不锈钢等标准。

●无机非金属材料标准包括：氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化铝、氮化硅等陶瓷材料方面标准，涉及粉末、片材等形态。

●有机高分子材料标准包括工程塑料、热固性塑料、光敏树脂、可降解塑料、高分子凝胶等方面标准，涉及粉末、丝材等形态。

●生物材料标准主要包括生物医用高分子材料、医用金属材料、医用无机非金属材料等方面标准。增加此分支是因为生物增材制造是增材制造的一个重要分支，3D打印骨骼、牙齿、甚至细胞组织等技术正在不断突破，在医疗健康领域具有非常广阔的应用前景，技术更新快，标准发展迅速。国家相关政策对建立生物增材制造材料体系提出了很高的要求，国际标准化组织也在开展此方面工作。

4.3 工艺标准

工艺标准主要用于规范增材制造加工流程，为相关技术的推广和应用奠定基础，包括9大类：粘结剂喷射、定向能量沉积、材料挤出、材料喷射、粉末床熔融、薄材层叠、立体光固化、复合增材制造、后处理。

其中前7类依据最新国家标准GB/T35351《增材制造术语》中增材制造工艺的分类。在增材制造单步工艺过程中，有时会同时或分步结合一种或多种增材制造、等材制造或减材制造技术，完成零件或实物制造，这种特殊工艺叫复合增材制造，因此增加了复合增材制造分类。增材制造层层叠加的特性，容易出现应力集中、孔隙等缺陷，部分工艺后期需要经过后处理才能达到产品质量要求，因此增加了后处理类。

4.4 设备标准

设备标准与增材制造工艺标准一一对应，主要用于规范增材制造设备性能、技术要求等。因后处理都是通用设备即可实现，无需增材制造专用设备，设备标准不包含后处理设备。

4.5 测试方法标准

测试方法标准包括试验方法、测试试件、评价方法和实施规范。主要对增材制造领域的专用材料、设备和成形件的特性试验方法、验收过程中的评价方法、技术指标、性能判定、限值等级和报告内容等进行规定。其中，“试验方法标准”包括原材料特性、表面特性、几何特性、机械特性、生物相容性、化学特性等性能试验，无损试验，工艺过程测试等方面的标准；“实施规范标准”包括采购规范、测试协议、验收规范等方面的标准；测试试件和评价方法标准可参考传统制造领域标准。

5 困难与挑战

增材制造技术正在快速发展，其设备、工艺都在不断更新，增材制造技术在航空航天、医疗等领域的应用和制造环节存在的问题尚未完全被发现，目前还处于不断探索和验证的阶段，可能会为增材制造标准的制定带来一定的困难。

增材制造技术是信息技术、材料科学、制造技术等多学科交叉融合的产物，所以其标准体系的建设需要多个行业、机构、企业之间充分交流，互相协作。只有站在全局的高度，发挥各家优势，突出政、产、学、研、用的结合，才能推动增材制造标准体系建设工作快速、健康的发展。

增材制造标准体系的建立，可以为我国增材制造技术标准的发展规划提供技术路线，为更大范围开展增材制造技术标准化工作提供有效支撑。建设一套完整的标准体系，指导标准的制修订，可有效减少标准交叉、重复等现象。而随着增材制造技术的迅速发展，产业格局的不断优化，新技术、新设备、新工艺、新材料的不断提出，增材制造标准体系需要不断完善和修正，保证标准体系与增材制造技术发展相协调。