【標(biāo)準(zhǔn)解析】增材制造標(biāo)準(zhǔn)分類與解析，你想知道的都在這！

作者：栗曉飛
來源： 融融生態(tài)圈

很多人反映，面對這共計(jì)約230多項(xiàng)國外增材制造標(biāo)準(zhǔn)，讓人眼花繚亂，很困難找到自己需要的標(biāo)準(zhǔn)。今天，就帶您將這些標(biāo)準(zhǔn)分一下類，讓大家對于這么多增材制造標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)初步的概念與理解。

首先，將這230多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)查重（主要是ASTM與ISO聯(lián)合制定或發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)），最后發(fā)現(xiàn)共計(jì)有206項(xiàng)已發(fā)布及在制定標(biāo)準(zhǔn)，其中已發(fā)布92項(xiàng)，在制定115項(xiàng)。然后我們針對現(xiàn)有這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，見圖1。這里必須明確，圖1不是標(biāo)準(zhǔn)體系，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的問題，在后續(xù)的【標(biāo)準(zhǔn)體系】為大家闡述。

圖1 國外增材制造標(biāo)準(zhǔn)一覽表

下面，我們將按一覽表逐類對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行說明。

術(shù)語定義
術(shù)語定義標(biāo)準(zhǔn)通常情況代表著一種技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室階段開始進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用，從事該領(lǐng)域的技術(shù)人員需要在信息表達(dá)、學(xué)術(shù)交流及商業(yè)活動中使用統(tǒng)一規(guī)范的語言，并且這種語言應(yīng)該是科學(xué)、準(zhǔn)確、無歧義的。國外現(xiàn)有的術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)包括了ISO/ASTM 52900-2015、VDI 3405兩份，同時(shí) ISO/ASTM 52900也正在進(jìn)行修訂，進(jìn)一步補(bǔ)充、完善增材制造領(lǐng)域的相關(guān)術(shù)語。術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)中定義的是通用、一般場合下的詞匯定義，在特定行業(yè)領(lǐng)域或特定環(huán)境中，某些詞匯會有其特定的含義，這類術(shù)語的表述則應(yīng)該在具體標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語定義章節(jié)進(jìn)行規(guī)定。

設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)類標(biāo)準(zhǔn)主要是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員直接使用的、最終形成的以及在初始技術(shù)選用時(shí)所需要參考或執(zhí)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然這里的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是頂層通用的標(biāo)準(zhǔn)，并不是企業(yè)內(nèi)部針對具體零件所形成的設(shè)計(jì)規(guī)范，并且在設(shè)計(jì)時(shí)所需引用并明確的測試方法、材料規(guī)范及工藝規(guī)范等包含在后續(xù)的框架中，這里不再討論。

• 產(chǎn)品定義——屬于產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的一部分。針對于增材制造產(chǎn)品，其數(shù)字化設(shè)計(jì)流程是在傳統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上改進(jìn)，因此這里僅包含了增材制造特有的數(shù)字化產(chǎn)品模型標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)從增材制造產(chǎn)品標(biāo)注的輔助集合、產(chǎn)品與工藝定義、產(chǎn)品數(shù)據(jù)包等方面進(jìn)行了規(guī)定，可用于統(tǒng)一規(guī)范設(shè)計(jì)、制造和檢測中相關(guān)的AM詳細(xì)信息。
  

• 設(shè)計(jì)選用——在傳統(tǒng)制造技術(shù)與增材制造技術(shù)之間選擇的通用流程與要求。該部分中目前包括了選用流程與要求、進(jìn)行選用決策的指南，為綜合考慮增材制造技術(shù)的優(yōu)勢、選用增材制造開展相關(guān)工作提供的指導(dǎo)與依據(jù)。
  

• 設(shè)計(jì)指南——提供各類增材制造的工藝優(yōu)勢與約束以及典型的特征結(jié)構(gòu)推薦。設(shè)計(jì)指南類標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)是用于推廣增材制造技術(shù)，讓更多用戶理解并明確如何采用更合適的增材制造工藝，并指導(dǎo)用戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)中規(guī)避由于工藝約束所導(dǎo)致的不良設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
  

• 數(shù)據(jù)文件——主要用于規(guī)范增材制造特有的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)處理流程與要求以及隨零件交付的數(shù)據(jù)包等相關(guān)要求。通過這些標(biāo)準(zhǔn)，可以促進(jìn)更適用于增材制造的3MF及AMF數(shù)據(jù)格式的推廣與應(yīng)用，減少數(shù)據(jù)在整個(gè)流程處理中所產(chǎn)生的丟失或損壞現(xiàn)象，形成更加優(yōu)化、完整的數(shù)據(jù)流。同時(shí)，詳盡的數(shù)據(jù)包信息可以更加有利于增材制造零件后期的使用、維護(hù)與保障。
  

原材料
原材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要用于原材料的采購與驗(yàn)收、質(zhì)量控制、原材料技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)的選取及推薦測試方法，其具體指標(biāo)項(xiàng)目的檢測可采用通用測試技術(shù)或在檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的專用測試技術(shù)。

• 原材料規(guī)范——用于供需雙方的采購與驗(yàn)收。這是一類最常見也最為國內(nèi)技術(shù)人員了解的標(biāo)準(zhǔn)，但同時(shí)也是目前經(jīng)常容易出現(xiàn)問題的一類標(biāo)準(zhǔn)。對于原材料規(guī)范的內(nèi)涵千萬不能與原材料鑒定相混淆，導(dǎo)致了標(biāo)準(zhǔn)適用范圍出現(xiàn)偏差。需要注意，國外原材料規(guī)范針對的標(biāo)準(zhǔn)化對象與國內(nèi)是存在差異的。國外以單一牌號為標(biāo)準(zhǔn)化對象，通過區(qū)分不同的粒度及粒度分布，可適用于多類增材制造工藝；而國內(nèi)通常習(xí)慣以一類工藝所用的一類材料為標(biāo)準(zhǔn)化對象，標(biāo)準(zhǔn)中多個(gè)牌號采用相對統(tǒng)一的粒度及粒度分布。因此，在參考國外標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要注意相關(guān)的要求。事無對錯(cuò)，只要供需雙方習(xí)慣即可。
  

• 生產(chǎn)過程控制——在對質(zhì)量要求嚴(yán)苛的高端裝備領(lǐng)域（例如，航空航天，尤其是民用飛機(jī)與發(fā)動機(jī)領(lǐng)域），對于產(chǎn)品質(zhì)量的一致性、穩(wěn)定性及可追溯性具有嚴(yán)格的要求，這就需要對于原材料生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，建立相應(yīng)的過程控制文件（PCD）等相關(guān)文件。生產(chǎn)過程控制類標(biāo)準(zhǔn)就是用于指導(dǎo)建立過程控制文件而使用的。目前，AMS 7002A版正在修訂中，有需要的可以進(jìn)一步關(guān)注。
  

• 性能表征——主要用于明確針對增材制造用原材料所需的技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目的選取，并給出推薦的測試方法，目前主要包括金屬粉末原材料以及FDM成形用絲材兩類。這類標(biāo)準(zhǔn)一般不直接用于粉末的指標(biāo)確定與檢測，而是間接指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員對于指標(biāo)及檢測方法的選取。
  

• 原材料分級——目前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀是，每一家對于金屬粉末原材料的要求都各不相同，例如：有0-53μm的、有15-53μm的、有15-65μm的，還有更多不同的粒度及粒度分布的要求。在原材料分級標(biāo)準(zhǔn)中，目前的做法是將這些粒度及粒度分布用統(tǒng)一的規(guī)則進(jìn)行表述。
  

工藝
工藝類標(biāo)準(zhǔn)主要包括了現(xiàn)有工藝的分類、設(shè)備的要求及驗(yàn)收檢驗(yàn)以及各個(gè)工藝的過程控制要求等。需要明確，工藝標(biāo)準(zhǔn)不是傳統(tǒng)意義上企業(yè)用的工藝規(guī)范，而是指導(dǎo)企業(yè)根據(jù)每類工藝的關(guān)鍵工藝參數(shù)指定工藝規(guī)范、從而實(shí)現(xiàn)過程控制的標(biāo)準(zhǔn)。

• 工藝基礎(chǔ)——目前主要包括工藝分類，工藝設(shè)備的要求及驗(yàn)收檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，為整個(gè)工藝實(shí)施提供基礎(chǔ)性保障。
  

• 工藝過程控制——閱讀過“【標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)】SAE增材制造標(biāo)準(zhǔn)概述”一文的朋友一定會有所了解，SAE制定的工藝規(guī)范其關(guān)鍵的目的就是建立過程控制文件（PCD），形成定型工藝，從而建立材料規(guī)范中的組批驗(yàn)收值。目前幾乎所有的標(biāo)準(zhǔn)化組織（例如，ISO、ASTM、AWS、VDI、DIN等）制定的工藝標(biāo)準(zhǔn)都是基于這樣的目的，標(biāo)準(zhǔn)涉及了大部分工業(yè)應(yīng)用的增材制造技術(shù)。
  

• 后處理——目前的后處理標(biāo)準(zhǔn)都是涉及金屬制件產(chǎn)品的，包括了熱處理、熱等靜壓、電化學(xué)拋光等方面，類似于工藝過程控制標(biāo)準(zhǔn)，這后處理標(biāo)準(zhǔn)中主要以每類后處理工藝過程控制要求為主，同時(shí)也會針對每個(gè)牌號的材料給出推薦的工藝參數(shù)與制度。
  

成形制件及產(chǎn)品
成形制件及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要包括了增材制造產(chǎn)品的采購要求、性能規(guī)范、研制驗(yàn)證、分級分類以及性能數(shù)據(jù)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

• 采購要求——主要用于規(guī)定客戶與零件供應(yīng)商在訂購時(shí)所需明確的技術(shù)要素的指導(dǎo)原則，包括客戶訂購信息、零件定義數(shù)據(jù)、原料要求、最終零件特征和性能、檢驗(yàn)要求和零件驗(yàn)收方法，以避免在客戶采購零件時(shí)與供方發(fā)生不必要的糾紛。
  

• 性能規(guī)范——增材制造技術(shù)將原材料（粉末、液體或絲材）直接成形為結(jié)構(gòu)毛坯或產(chǎn)品，是一類帶有結(jié)構(gòu)的特殊材料制品，因此目前很多規(guī)范并非是針對最終零件的產(chǎn)品規(guī)范，而是規(guī)定這類材料制品性能的性能規(guī)范。在SAE標(biāo)準(zhǔn)中，相對應(yīng)的就是材料規(guī)范，在標(biāo)準(zhǔn)中主要規(guī)定化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能、熱處理及無損檢驗(yàn)等要求。而在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中，一般稱之為某某合金規(guī)范或增材制造規(guī)范，規(guī)定內(nèi)容上則擴(kuò)展了對于原材料及制造過程的規(guī)定。
  

• 研制驗(yàn)證——主要包括產(chǎn)品研制的流程、零件驗(yàn)證指南以及針對于成形特征的統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證要求。研制流程與成形零件的驗(yàn)證是規(guī)范、統(tǒng)一增材制造技術(shù)在各型號產(chǎn)品研制中的基礎(chǔ)，本框架下的標(biāo)準(zhǔn)可以為用戶單位開展增材制造產(chǎn)品研制及驗(yàn)證提供指導(dǎo)。同時(shí)，增材制造會涉及很多種類、新的結(jié)構(gòu)特征，并存在不同結(jié)構(gòu)特征、不同性能及質(zhì)量要求的情況，目前VDI計(jì)劃開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定工作，可以為增材制造產(chǎn)品研制及驗(yàn)證提供更有意義的借鑒與參考。
  

• 分級分類——針對增材制造在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，零件的質(zhì)量等級分類越來越受到各類用戶的關(guān)注，直接關(guān)系到產(chǎn)品研制、生產(chǎn)及檢測評估中對于材料及制件鑒定、質(zhì)量控制、缺陷閾值等要求的界定。目前，VDI、ASTM、ISO等都已開展了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究與編制。
  

• 性能數(shù)據(jù)——性能數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括兩大類，性能數(shù)據(jù)提交指南及性能數(shù)據(jù)表。前者是SAE針對于后續(xù)制定的AMS標(biāo)準(zhǔn)中所提交性能數(shù)據(jù)的基本的規(guī)范性要求，以保證數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)性與可參考價(jià)值。后者是VDI針對于同一牌號金屬材料實(shí)際性能測量數(shù)據(jù)給出的性能數(shù)據(jù)區(qū)間，形成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表格，供所有用戶參考，了解行業(yè)內(nèi)的普遍技術(shù)水平。
  

檢測技術(shù)
檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一直以來都受到各方的廣泛關(guān)注，以現(xiàn)有情況來看，主要包括了測試基礎(chǔ)、測試指南、測試方法、檢測評估及試樣制備等標(biāo)準(zhǔn)。

• 測試基礎(chǔ)——主要包括針對增材制造的技術(shù)特點(diǎn)（例如，強(qiáng)設(shè)計(jì)相關(guān)特點(diǎn)、零件對于在成形空間內(nèi)的取向及位置的相關(guān)性）、力學(xué)性能裕度選擇的差異以及實(shí)驗(yàn)室之間的數(shù)據(jù)共享與比對等需求而開展的標(biāo)準(zhǔn)化工作，對于增材制造產(chǎn)品的最終型號應(yīng)用具有重要價(jià)值與意義。
  

• 測試指南——主要包括采用常規(guī)測試方法進(jìn)行增材制造測試的指導(dǎo)性建議以及針對于增材制造產(chǎn)品特點(diǎn)的專用測試技術(shù)指南，指導(dǎo)用戶采用更適合的方法對增材制造材料性能開展測試與表征。其中，指導(dǎo)性建議主要包括了機(jī)械性能、物理性能、無損檢測以及在線監(jiān)測等標(biāo)準(zhǔn)，專用方法主要指在增材制造零件中人工植入缺陷的方法，覆蓋金屬材料、聚合物材料、砂型及陶瓷材料等。
  

• 測試方法——主要針對于粉末表征及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的表征需求，開展了采用FT4特殊設(shè)備進(jìn)行粉末流動性表征方法以及采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)開展的有序胞元等效拉伸、壓縮及剪切性能測試方法的標(biāo)準(zhǔn)研究與制定。
  

• 測試評估——主要包括了對于增材制造系統(tǒng)能力、后處理及工業(yè)生產(chǎn)廠所開展的評估技術(shù)及鑒定檢驗(yàn)方面的指導(dǎo)性建議，用于對相應(yīng)環(huán)節(jié)的軟硬件技術(shù)能力開展評估及鑒定。
  

• 試樣制備——目前僅有針對于聚合物激光粉末床熔融技術(shù)的試樣制備標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)ISO與ASTM會聯(lián)合開展金屬材料的試樣制備標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定。
  

鑒定與認(rèn)證
鑒定與認(rèn)證類標(biāo)準(zhǔn)主要包括了針對增材制造生產(chǎn)中的人、機(jī)、料、法、環(huán)、供等方面鑒定與認(rèn)證需求所制定的標(biāo)準(zhǔn)。其中，在人員方面主要針對PBF-LB、PBF-EB、DED-LB以及DED-Arc等四大類技術(shù)操作人員，特別是定義了一類新的技術(shù)人員，即生產(chǎn)協(xié)同員（production coordinator）的鑒定標(biāo)準(zhǔn)；在設(shè)備方面重點(diǎn)包括了設(shè)備的安裝、操作及性能的合格鑒定；在材料方面涉及了原材料及成形材料的鑒定與批準(zhǔn)；在方法方面包括工藝控制與鑒定準(zhǔn)則；在環(huán)境方面主要對增材制造廠所開展鑒定標(biāo)準(zhǔn)制定；在供應(yīng)商方面則主要指PRI制定的供應(yīng)商審核準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)。

環(huán)境健康與安全
在環(huán)境健康與安全方面，目前主要有ISO、ASTM、VDI及UL等相關(guān)組織開展標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定。標(biāo)準(zhǔn)主要包括風(fēng)險(xiǎn)等級及安全防護(hù)指南頂層指導(dǎo)、增材制造場地設(shè)施安全審核、金屬與聚合物增材制造設(shè)備用戶操作安全管理、金屬粉末的安全使用、非工業(yè)區(qū)域公共環(huán)境下材料擠出式3D打印機(jī)有害物質(zhì)排放要求及檢測等方面的標(biāo)準(zhǔn)，從安全管理要求、測試方法等方面建立環(huán)境健康與安全標(biāo)準(zhǔn)體系。

修理
在增材制造修理方面，目前僅發(fā)布了1項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-3049，規(guī)范了將定向能量沉積（DED）技術(shù)用于再制造、尺寸修復(fù)及涂層重涂覆的研制流程性要求。SAE成立的AMS-AM-R技術(shù)委員會正在針對于增材制造修理技術(shù)開展標(biāo)準(zhǔn)化工作，目前已初步形成標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，參考了增材制造直接成形標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，重點(diǎn)關(guān)注修理技術(shù)流程、不同層次的各類規(guī)范、修理后的機(jī)械性能與評估、工藝穩(wěn)定性及檢測等系列問題。后續(xù)該技術(shù)委員會將從上述幾方面開始著手相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究與編制。

醫(yī)療
增材制造在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，需求也非常迫切。這里僅列出了ASTM針對于醫(yī)療領(lǐng)域制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在醫(yī)療方面，ASTM重點(diǎn)關(guān)注了醫(yī)用粉末床熔融工藝粉末循環(huán)再利用以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)中殘余物去除的評估方面，同時(shí)對于醫(yī)療設(shè)備增材制造工藝過程確認(rèn)也開展了指南的編制，用于指導(dǎo)、推動增材制造在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。在性能規(guī)范的編制方面，正在編制醫(yī)用Ti6Al4V ELI粉末床熔融增材制造規(guī)范。

作者介紹
栗曉飛，北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院 博士后。長期從事增材制造、材料與制造領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)工作，主持編制并發(fā)布了國內(nèi)首套增材制造專業(yè)領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，共計(jì)主持和參與了30余項(xiàng)國家級、行業(yè)級增材制造領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的研究與編制、中國工程院戰(zhàn)略咨詢研究項(xiàng)目2項(xiàng)，獲中國航空工業(yè)集團(tuán)公司三等功一次。

現(xiàn)任美國ASTM F42增材制造技術(shù)委員會委員、SAE AMS-AM增材制造技術(shù)委員會委員、國家增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC 562）委員、江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督計(jì)劃科技評審專家等。