增材制造国内外标准研究进展

丁红瑜，武姝婷，袁 康，束超平，王 凡，陈 超，汤雁冰，蒋志勇

(1.江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212003)

(2.江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江 212003)

1 前言

增材制造通常又称“3D 打印”，是以三维模型数据为基础，通过数字化添加材料的方式制造零件或实物的工艺。增材制造是相对于传统的等材制造(如铸造、锻造)和减材制造(如机械加工)而言的，是制造领域的又一次革命，近几十年来成为引领科技创新和产业变革的关键技术之一，是制造业转型升级、提质增效的重要驱动力。据美国增材制造技术咨询服务协会(Wohlers)年度报告显示，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 年有望达到210 亿美元[1，2]。

伴随着增材制造产业的快速发展，产业及技术发展中面临的标准化问题日益凸显，各研究机构、厂家采用的术语、技术指标的标准不统一，不利于学术交流和技术提升，严重制约了增材制造产业的进一步发展。因此，开展增材制造标准制定工作具有重要意义[3，4]。本文大体以时间为顺序，分门别类地概括了目前国内外有关增材制造标准的制定情况，分析了现有标准的特点和下一步的努力方向，对增材制造相关从业人员有一定参考意义。

2 国外增材制造标准研制进展

增材制造技术在国外经历长期发展，已经形成了比较完整的研发、生产、销售、应用全产业链体系，在标准制定方面也走在前列。目前国外针对增材制造标准制定的机构主要包括国际自动机工程师学会(SAE)、美国材料与试验协会(ASTM)、国际标准化组织(ISO)等。以下就国外增材制造相关标准的制定情况进行简介。

2.1 国际自动机工程师协会(SAE)的AMS 系列标准

SAE International 即国际自动机工程师学会(原译:美国汽车工程师学会)，是一个技术性学会，在全球范围内拥有超过145 000 名会员，会员均是航空航天、汽车和商用车辆行业的工程师和相关技术专家。SAE International 制定的AMS 标准(Aerospace Material Specifications，美国宇航材料规范)应用于全球范围内航空飞行器零件、系统的设计和生产以及政府采购。AMS 标准具有技术水平先进、适用性好、格式规范等特点[5]，迄今为止，已有超过1000 份AMS 标准被美国国防部采用。

在增材制造标准制定方面，早在2002 年SAE 就针对激光直接沉积制造Ti-6Al-4V 合金零件发布了一项标准——AMS4999，并于2011 年将其升版为AMS4999A。鉴于增材制造技术近年来迅猛发展的势头，SAE International 于2015 年成立了AMS-AM 增材制造委员会，并得到联邦航空管理局的任务函，以协助监管机构制定增材制造认证指导材料，将继续制定金属和聚合物的AMS规范，以支持航空航天的行业需求。据称，代表飞机、航天器和发动机原始设备制造商、材料供应商、运营商、设备/系统供应商、服务提供商、监管机构和国防机构等超过15 个国家的350 多名全球参与者积极参与该委员会。随后SAE 发布了AMS700X 系列标准，目前已发布6 项，从AMS7000 到AMS7005，此外还有多项标准在制定中，涉及Haynes 230(GH3230)、Ti6242(TA19)、AlSi10Mg (ZL104)、ULTEM 9085、ULTEM 1010 等材料，见表1[1，5]。

表1 AMS 系列增材制造标准[1，5]Table 1 AMS series standard for additive manufacturing[1，5]

2.2 美国材料与试验协会(ASTM)的ASTM 系列标准

美国材料与试验协会，其英文全称为American Society for Testing and Materials(ASTM)，是当前世界上最大的标准发展机构之一，ASTM 的会员目前已近34 000 个，已制定10 000 多项标准。

ASTM 高度关注增材制造技术的发展，2009 年ASTM专门组建了F42 增材制造技术委员会，其主要目标是制定增材制造材料、产品、系统和服务等领域的特性和性能标准、试验方法和程序标准，促进增材制造技术推广与产业发展。F42 下设6 个专业技术委员会，包括F42.01 测试方法、F42.04 设计、F42.05 材料与工艺、F42.06 环境、健康与安全、F42.07 应用领域(涉及航空、航天、医疗、重型机械、航海、电子、建筑、石油与天然气、消费品)、F42.91 术语等。同时针对协会运行及与国际标准化组织ISO/TC 261 的合作，另外成立了F42.90 执行委员会及F42.95 技术协调组。截止目前，ASTM F42 已经发布及正在制定标准共50 余项[6]，目前公开渠道查询到已发布的标准见表2[3，6]。这些标准涵盖了钛合金、高温合金、铝合金、塑料等材料；粉末床熔融、直接能量沉积等工艺；基础文件术语、生产制造规范、后处理规范、测试评价方法规范等方面，种类丰富。

表2 ASTM 系列增材制造标准[3，6]Table 2 ASTM series standard for additive manufacturing[3，6]

2.3 国际标准化组织(ISO)相关标准

国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)是世界上最大的非政府性标准化机构，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。ISO 的宗旨是“在世界上促进标准化及其相关活动的发展，以便于商品和服务的国际交换，在智力、科学、技术和经济领域开展合作”。

针对增材制造领域的标准化工作，2011 年ISO 也成立了标准化技术委员会TC261，并与ASTM F42 签署合作协议，共同开展增材制造技术领域的标准化工作。ISO/TC 261 将增材制造标准体系框架分为3 个层次。其中最高级为基础标准，包括术语、工艺与材料、测试方法、设计与数据等方面；第二级为分类标准，包括原材料、工艺、装备分类、零件技术指标及测试等方面；第三级为专用标准，包括专用材料检测标准、工艺专用标准、应用标准等。

ISO 与ASTM 联合发布了多项标准，如表2 中的ASTM F2915、ASTM F3301、ASTM F3303 等[3，6]。

3 国内增材制造标准研制进展

我国自20 世纪80 年代开始增材制造技术研究，现已具备一定的技术基础，但在技术、配套、人才以及产业链发展等方面与发达国家相比还存在一定差距，尤其是过去很多专门针对增材制造的高端制造设备，其软件及专用材料长期依赖进口，近年来这一情况有了很大改观，国产化取得了初步成效。不过，国内增材制造领域的标准化工作推进仍然十分紧迫。

有鉴于此，2016 年4 月在北京成立了全国增材制造标准化技术委员会(SAC TC562)，并召开了一届一次会议；随后分别于2017 年6 月在成都、2018 年9 月在西安召开了一届二次、一届三次全体会议，讨论标准制定工作[7]。SAC TC562 主要负责增材制造术语和定义、工艺方法、测试方法、质量评价、软件系统及相关技术服务等领域国家标准制订和修订工作，对口ISO/TC261，由中国机械工业联合会负责日常管理和业务指导。SAC TC562 搭建了一个集标准研制、应用、交流和共享于一体的技术平台，在增强增材制造标准有效供给的同时，将有效提升我国增材制造标准国际化水平。

2018 年9 月SAC TC562 专用材料工作组成立会议在珠海顺利召开。秘书处由广东省珠海市质量计量监督检测所和华南理工大学共同承担；2019 年5 月SAC TC562测试方法分技术委员会在无锡成立，秘书处由无锡市产品质检院(国家增材制造产品质检中心)承担。该测试方法分技术委员会主要负责增材制造领域的专用材料、装备成形件的可靠性、安全性等测试方法的国家标准制修订工作。分委员会的成立标志着增材制造标准化工作向分工更明确、更专业化的方向发展。

3.1 增材制造国家标准

起初增材制造设备、技术等方面的标准制定工作由全国特种加工机床标准化技术委员会(SAC/TC 161)负责指导。SAC TC562 成立以后，增材制造相关的国家标准制定工作速度大幅提升。表3 统计了近年来发布的有关增材制造的国家标准[1-3]。部分标准是参照ISO/ASTM 标准制定的。并且在国外增材制造标准的基础上结合了新时代的特点，例如制定了《GB/T 37461—2019:增材制造云服务平台模式规范》，充分利用信息时代的网络化传输特点，实现增材制造的远程异地产业分工合作，使得生产过程更加顺畅高效。

表3 国内增材制造国家标准汇总(统计至2019.10)[1-3]Table 3 National standard for additive manufacturing (till 2019.10)[1-3]

续表

3.2 地方标准及行业标准

地方标准和行业标准是根据各个地区、行业的技术发展水平制定的标准，用于引导，规范当地和行业内的生产过程，以达到产品质量可控和技术稳步提升的目标[8]。地方和行业标准最大的特点是因地制宜，其制定与地方/行业的发展水平密切相关。目前查询到有关增材制造的地方标准及行业标准统计如表4 所示[8]。

表4 地方及行业增材制造标准汇总(统计至2019.10)[8]Table 4 Local and profession standard for additive manufacturing (till 2019.10)[8]

3.3 团体标准

团体标准是由团体按照团体确立的标准制定程序自主制定发布、由社会自愿采用的标准。

根据国务院印发的《深化标准化工作改革方案》(国发【2015】13 号)，改革措施中指出，政府主导制定的标准由6 类整合精简为4 类，分别是强制性国家标准、推荐性国家标准、推荐性行业标准、推荐性地方标准；市场自主制定的标准分为团体标准和企业标准。政府主导制定的标准侧重于保基本，市场自主制定的标准侧重于提高竞争力。同时建立完善与新型标准体系配套的标准化管理体制。在标准制定主体上，鼓励具备相应能力的学会、协会、商会、联合会等社会组织和产业技术联盟协调相关市场主体共同制定满足市场和创新需要的标准，供市场自愿选用，增加标准的有效供给。在标准管理上，对团体标准不设行政许可，由社会组织和产业技术联盟自主制定发布，通过市场竞争优胜劣汰。国务院标准化主管部门会同国务院有关部门制定团体标准发展指导意见和标准化良好行为规范，对团体标准进行必要的规范、引导和监督。

目前，在全国团体标准信息平台(http://www.ttbz.org.cn/)上查询到与增材制造密切相关的团体标准共16 项，分别由广东省增材制造协会、中国机械制造工艺协会、广州市质量检验协会、东莞市标准与产业融合促进会、中国医疗器械行业协会、中关村标准化协会等提出，具体如表5 所示(按实施时间先后排序)[9]。此外，根据公开的消息，中国航空航天工具协会正在制定包括《增材制造 金属激光粉末床熔融材料及零件的鉴定与认证》等在内的团体标准13 项，可见团体标准正在成为标准制定中的新兴力量。团体标准在我国已逐渐成为一套法律体系和制度设计，对产品质量的提升至关重要。利用好团体标准“快、活、新”的市场化特点和更新灵活迅速的机制特点，已成为推动新兴行业、新兴产业发展的有效方式。

表5 增材制造(3D 打印)相关团体标准(统计至2019.10)[9]Table 5 Group standard for additive manufacturing (till 2019.10)[9]

续表

4 结语

对以上有关增材制造国内外标准制定，发布的情况进行分析，可以看出以下几点:

(1)从技术体系的角度来看，目前包括技术基础术语、材料、设备、后处理、检验、服务等方面都有一些标准发布，但框架搭建起来以后，还有待进一步完善，充实。

(2)从原材料的角度来看，有关航空航天领域的钛合金、铝合金、高温合金等标准较多，非金属的相对较少，这主要是由工业生产中的需求牵引决定的。

(3)从工艺上来说，目前主要以粉末床熔融、直接金属沉积为主，选区激光烧结、挤出成型也占了一部分，这与原材料的工艺匹配关联很大。

(4)从国内外的标准对比情况来看，国外的增材制造标准化工作起步较早，发布的标准较多，内容规定详尽，质量也很高；为顺应技术发展潮流，2016 年成立了全国增材制造标准化技术委员会(部分活跃的分支甚至成立了分委员会及工作组)，为增材制造国内标准的制定提供了组织上的保障；为与国际接轨，国内在增材制造技术基础术语方面参考了国外标准，但在具体细分领域走出了自己的路子，近几年发展势头迅猛。尤其是开放团体标准制定权限后，业内人士热情高涨，积极性大幅提升，近年来制定了多项团体标准，有力促进了业界的资源整合和技术提升。在这个背景下，对标准制定的内在质量也需要密切关注。

总之，国外在增材制造标准制定领域走在前列，国内在参考借鉴的同时近年来也在努力赶超。标准的制定和执行需要学术界、企业界和用户保持密切沟通和合作，并随时关注技术发展的前沿和最新动向，在业界的共同努力下，促进标准体系的完善，产品质量的提高和技术的进步。