核能行业增材制造标准体系建设探讨

何戈宁，汤华鹏，李 毅，李冬慧，吴 舸，袁 宏

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041)

增材制造又被称作3D打印，是典型的智能制造技术，被誉为将是引领第四次工业革命的核心技术之一。3D打印这种颠覆性的智能制造技术可以极大地解放制造工艺对设计的束缚，加工制造出传统制造工艺无法制造出的新产品，开发出性能提升的新材料，实现降低重量、减小体积、提高性能效率等目标。作为新兴的智能制造技术，增材制造技术目前在国内的发展迅猛，在核能行业预期也将有着广泛的发展应用前景。但该技术的应用推广目前面临着一个重大问题，即尚未建立完善的标准体系。包括设计、原材料、制造工艺、设备性能、检验检测、数字化交互与评价等等相关工作，均缺乏相关标准进行指导。尽快开展核能行业增材制造标准体系研究，系统性地开展标准化工作，已经成为推进增材制造技术在核能行业应用的当务之急。

1 增材制造技术在核能行业发展概况

近年来，增材制造技术在航空航天、医疗等领域已经实现了系统化的应用[1]。核能行业由于其高安全性、高可靠性的要求以及涉及辐射安全的行业特点，对产品的设计、材料、性能、试验等方面，与常规民用行业相比，均有着特殊的要求。虽然针对反应堆压力容器、燃料组件、阀体等部件，已经有增材制造技术的研究尝试，但总的来说，增材制造技术在核能行业的研究及应用仍停留在较为初级的阶段[2]。2019年，工信部公布了高性能难熔难加工合金大型复杂构件增材制造(3D打印)“一条龙”应用计划，明确了核电领域的应用示范产品及企业。可以预期，未来增材制造技术在核能行业将有更广泛的应用前景。

2 国外增材制造标准化现状

标准化是新技术实现产业化应用的前提条件。国际标准化组织以及美国、欧盟等国家/组织，纷纷着手建立各自的增材制造标准化体系。

2.1 国际标准化组织(ISO)

国际标准化组织(ISO)于2011年创建ISO/TC 261增材制造标准化技术委员会，ISO/TC 261创建当年就与ASTM F42签署合作协议，开展增材制造技术领域的标准化体系构建。2013年，ISO/TC 261与ASTM F42共同发布了“增材制造标准制定联合计划”，2016年，又进行了修订更新。基于该计划，梳理出了增材制造相关标准的体系结构，并进行动态更新。ISO/ASTM 增材制造标准体系分为总体标准、材料标准、装备/工艺标准以及制品标准4大部分[3]。

截至目前，国际标准化组织(ISO)已有15项标准发布，31项标准正在制定中。

2.2 美国

2017年，美国国家标准化研究院(ANSI)与美国制造(America makes，前身是美国增材制造创新研究所)合作成立了标准化工作联合体(AMSC)，研究并发布了美国增材制造标准化路线图。2018年，又对该线路图进行了升版[4]。路线图提供了美国当前增材制造的标准化全景图象，将标准化目标分为设计、过程与材料、资格与认证、无损检测、维护保养5大部分，并针对下一阶段研究计划给出了建议。

美国材料与试验协会(ASTM)是最早成立的增材制造技术委员会的标准化协会组织，其增材制造标准化专委会ASTM F42成立于2009年。目前已建成一级子标准技术委员9个，2级子标准技术委员十余个，发布标准数十项。

美国的一些特殊行业，如美国国家航空航天局(NASA)、美国汽车工程师学会(SAE)、美国联邦航空管理局(FAA)等，也根据行业特点完成了相关增材制造标准化的布局工作。

美国国防部于2016年发布了增材制造路线图，全面布局增材制造研究[5]。目前已发布了美国军标MIL-STD-3049，规定了采用金属直接沉积进行修复的技术要求。

2.3 欧盟

欧盟对增材制造的标准化工作也非常重视，联合了ISO TC261，ASTM F42以及增材制造企业在内的多方力量，于2013年启动了SASAM项目，并于2014年发布了增材制造的标准路线图。与ISO类似，SASAM项目也将标准化目标分为总体标准、材料标准、装备/工艺标准以及制品标准4大部分[6]。目前，基于SASAM项目已经有一系列标准发布。

3 国内增材制造标准化现状

3.1 国家标准

2014年，我国加入ISO增材制造标准化技术委员会，成为其成员国；2016年全国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC562)成立，在国家层面上开展增材制造技术标准化工作。但截至目前，国家层面的标准化体系框架仍在酝酿中。

目前通过该技术委员会发布的国家标准共有7项(见表1)，涉及增材制造术语、文件格式、工艺和材料分类、主要特性和测试方法等方面。正在编制的国家标准共有17项。

从目前正在开展的标准化工作可以看出，由于标准化体系框架的缺乏，目前的标准化工作更多是消化吸收国外标准而得，缺乏对技术发展趋势的预测和考虑。对增材制造产品开发及应用极为关键的设计标准、无损检测标准尚属空白。导致国内增材制造产品质量参差不齐，市场秩序混乱，这在很大程度上阻碍了我国增材制造产业的发展[7]。

表1 增材制造国家标准(已发布)Table 1 National standards for additive manufacturing (issued)

3.2 行业标准

考虑不同行业的特殊性要求，布局增材制造行业标准，是推进增材制造技术在特殊行业产业化应用的助推器。2020年3月，国家标准化管理委员会、工信部等6部门联合印发《增材制造标准领航行动计划》，部署推进增材制造标准化工作，特别指出要推进航空航天、核能等领域等特殊行业的行业标准建设。

目前国内航空、航天领域，已着手推进增材制造标准化工作，目前正在针对航天领域标准体系框架及路线图开展研究。

在核能领域，2016年成立了核能行业3D打印技术工作组，但截至目前，尚未开展系统性的标准研究，也没有相关标准发布，研究工作缺乏系统布局，推进较为缓慢。

4 核能行业标准体系的建设建议

综合上文的调研可见，目前核能行业增材制造标准化工作相对落后，某种程度上已成为影响增材制造这一颠覆性创新技术在核能行业广泛应用的限制因素，本文提出核能行业标准体系的建设建议。

4.1 基本原则

基于当前核能行业增材制造标准体系尚未建立的现状，结合国家层面的增材制造标准化体系建设的情况，参考借鉴国外增材制造标准体系框架和构成要素，并考虑国家的核安全监管的相关要求以及核能行业的特殊要求和工程实践，构建一个相对完善的核能行业增材制造标准体系，并以此为基础后续大力推进核能行业增材制造的标准化工作。

建议在全国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC562)下增设核能行业分技术委员会，统筹核能行业标准化工作。

4.2 标准框架体系

作为典型的智能制造技术，增材制造具有非常显著的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、数字化/智能化交互等多种因素。

因此，所建立的核能行业增材制造标准体系应该是一个包含多层次、多学科领域，覆盖全产业链、全价值链、产品全生命周期的标准体系。借鉴国外已有的工作，提出了核能行业增材制造标准体系框架(见图1)。本文还对框架中不同标准化对象在核能行业应用以及要求的特殊性进行了梳理。

图1 核能行业增材制造标准体系框架Fig.1 Additive Manufacturing Standards Structure in nuclear power industry

4.3 标准化路线图

在所建立的核能行业增材制造标准体系框架中，如设计、材料、检验试验等领域，由于核能行业的技术特殊性较高，需要考虑单独建立适用于核能行业的标准(如图1中，核能行业特殊性高、中的领域)，并建立标准需求清单。标准体系框架中其他领域，如通用技术、3D打印工艺、3D打印装备等，这些领域核能行业的技术特殊性较弱，可以研究通用的国家标准是否在这些领域可以直接适用，并给出相应的标准清单或标准制定需求(通用的国家标准缺少的)。梳理完成后，形成结构化的核能行业增材制造标准体系构成清单，并结合标准制定的成熟度和需求的紧迫性，建立核能行业标准化路线图。

5 结语

作为颠覆性的创新技术，增材制造预期将成为我国实现创新突破、弯道超车的关键领域。这就需要我们结合我国核能行业实际情况及应用需求，汇聚各方力量，尽快在核能行业系统性的开展增材制造标准化布局，建立核能行业增材制造标准体系，为增材制造技术在核能行业的的发展提供有效的规范、支撑和引领。