【標準解析】增材制造標準分類與解析，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，面對這共計約230多項國外增材制造標準，讓人眼花繚亂，很困難找到自己需要的標準。今天，就帶您將這些標準分一下類，讓大家對于這么多增材制造標準有一個初步的概念與理解。

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

圖1 國外增材制造標準一覽表

下面，我們將按一覽表逐類對標準進行說明。

術語定義
術語定義標準通常情況代表著一種技術從實驗室階段開始進入商業(yè)化應用，從事該領域的技術人員需要在信息表達、學術交流及商業(yè)活動中使用統(tǒng)一規(guī)范的語言，并且這種語言應該是科學、準確、無歧義的。國外現(xiàn)有的術語標準包括了ISO/ASTM 52900-2015、VDI 3405兩份，同時 ISO/ASTM 52900也正在進行修訂，進一步補充、完善增材制造領域的相關術語。術語標準中定義的是通用、一般場合下的詞匯定義，在特定行業(yè)領域或特定環(huán)境中，某些詞匯會有其特定的含義，這類術語的表述則應該在具體標準中的術語定義章節(jié)進行規(guī)定。

設計
設計類標準主要是指產品設計人員直接使用的、最終形成的以及在初始技術選用時所需要參考或執(zhí)行的相關標準。當然這里的設計標準是頂層通用的標準，并不是企業(yè)內部針對具體零件所形成的設計規(guī)范，并且在設計時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。

• 產品定義——屬于產品數(shù)字化設計的一部分。針對于增材制造產品，其數(shù)字化設計流程是在傳統(tǒng)產品數(shù)字化設計流程的基礎上改進，因此這里僅包含了增材制造特有的數(shù)字化產品模型標注的標準。該標準從增材制造產品標注的輔助集合、產品與工藝定義、產品數(shù)據(jù)包等方面進行了規(guī)定，可用于統(tǒng)一規(guī)范設計、制造和檢測中相關的AM詳細信息。
  

• 設計選用——在傳統(tǒng)制造技術與增材制造技術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、進行選用決策的指南，為綜合考慮增材制造技術的優(yōu)勢、選用增材制造開展相關工作提供的指導與依據(jù)。
  

• 設計指南——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構推薦。設計指南類標準重點是用于推廣增材制造技術，讓更多用戶理解并明確如何采用更合適的增材制造工藝，并指導用戶產品設計中規(guī)避由于工藝約束所導致的不良設計結構。
  

• 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)包等相關要求。通過這些標準，可以促進更適用于增材制造的3MF及AMF數(shù)據(jù)格式的推廣與應用，減少數(shù)據(jù)在整個流程處理中所產生的丟失或損壞現(xiàn)象，形成更加優(yōu)化、完整的數(shù)據(jù)流。同時，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、維護與保障。
  

原材料
原材料相關標準主要用于原材料的采購與驗收、質量控制、原材料技術指標項的選取及推薦測試方法，其具體指標項目的檢測可采用通用測試技術或在檢測技術標準中的專用測試技術。

• 原材料規(guī)范——用于供需雙方的采購與驗收。這是一類最常見也最為國內技術人員了解的標準，但同時也是目前經(jīng)常容易出現(xiàn)問題的一類標準。對于原材料規(guī)范的內涵千萬不能與原材料鑒定相混淆，導致了標準適用范圍出現(xiàn)偏差。需要注意，國外原材料規(guī)范針對的標準化對象與國內是存在差異的。國外以單一牌號為標準化對象，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；而國內通常習慣以一類工藝所用的一類材料為標準化對象，標準中多個牌號采用相對統(tǒng)一的粒度及粒度分布。因此，在參考國外標準時，需要注意相關的要求。事無對錯，只要供需雙方習慣即可。
  

• 生產過程控制——在對質量要求嚴苛的高端裝備領域（例如，航空航天，尤其是民用飛機與發(fā)動機領域），對于產品質量的一致性、穩(wěn)定性及可追溯性具有嚴格的要求，這就需要對于原材料生產過程進行控制，建立相應的過程控制文件（PCD）等相關文件。生產過程控制類標準就是用于指導建立過程控制文件而使用的。目前，AMS 7002A版正在修訂中，有需要的可以進一步關注。
  

• 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指標項目的選取，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。這類標準一般不直接用于粉末的指標確定與檢測，而是間接指導相關技術人員對于指標及檢測方法的選取。
  

• 原材料分級——目前的產業(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。在原材料分級標準中，目前的做法是將這些粒度及粒度分布用統(tǒng)一的規(guī)則進行表述。
  

工藝
工藝類標準主要包括了現(xiàn)有工藝的分類、設備的要求及驗收檢驗以及各個工藝的過程控制要求等。需要明確，工藝標準不是傳統(tǒng)意義上企業(yè)用的工藝規(guī)范，而是指導企業(yè)根據(jù)每類工藝的關鍵工藝參數(shù)指定工藝規(guī)范、從而實現(xiàn)過程控制的標準。

• 工藝基礎——目前主要包括工藝分類，工藝設備的要求及驗收檢驗標準，為整個工藝實施提供基礎性保障。
  

• 工藝過程控制——閱讀過“【標準動態(tài)】SAE增材制造標準概述”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)范中的組批驗收值。目前幾乎所有的標準化組織（例如，ISO、ASTM、AWS、VDI、DIN等）制定的工藝標準都是基于這樣的目的，標準涉及了大部分工業(yè)應用的增材制造技術。
  

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

成形制件及產品
成形制件及產品標準主要包括了增材制造產品的采購要求、性能規(guī)范、研制驗證、分級分類以及性能數(shù)據(jù)等相關標準。

• 采購要求——主要用于規(guī)定客戶與零件供應商在訂購時所需明確的技術要素的指導原則，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、檢驗要求和零件驗收方法，以避免在客戶采購零件時與供方發(fā)生不必要的糾紛。
  

• 性能規(guī)范——增材制造技術將原材料（粉末、液體或絲材）直接成形為結構毛坯或產品，是一類帶有結構的特殊材料制品，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標準中，相對應的就是材料規(guī)范，在標準中主要規(guī)定化學成分、顯微組織、力學性能、熱處理及無損檢驗等要求。而在ASTM標準中，一般稱之為某某合金規(guī)范或增材制造規(guī)范，規(guī)定內容上則擴展了對于原材料及制造過程的規(guī)定。
  

• 研制驗證——主要包括產品研制的流程、零件驗證指南以及針對于成形特征的統(tǒng)計驗證要求。研制流程與成形零件的驗證是規(guī)范、統(tǒng)一增材制造技術在各型號產品研制中的基礎，本框架下的標準可以為用戶單位開展增材制造產品研制及驗證提供指導。同時，增材制造會涉及很多種類、新的結構特征，并存在不同結構特征、不同性能及質量要求的情況，目前VDI計劃開展相關標準的研究與制定工作，可以為增材制造產品研制及驗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)領域的應用，零件的質量等級分類越來越受到各類用戶的關注，直接關系到產品研制、生產及檢測評估中對于材料及制件鑒定、質量控制、缺陷閾值等要求的界定。目前，VDI、ASTM、ISO等都已開展了相關標準的研究與編制。
  

• 性能數(shù)據(jù)——性能數(shù)據(jù)標準主要包括兩大類，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標準中所提交性能數(shù)據(jù)的基本的規(guī)范性要求，以保證數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計性與可參考價值。后者是VDI針對于同一牌號金屬材料實際性能測量數(shù)據(jù)給出的性能數(shù)據(jù)區(qū)間，形成數(shù)據(jù)統(tǒng)計表格，供所有用戶參考，了解行業(yè)內的普遍技術水平。
  

檢測技術
檢測技術標準一直以來都受到各方的廣泛關注，以現(xiàn)有情況來看，主要包括了測試基礎、測試指南、測試方法、檢測評估及試樣制備等標準。

• 測試基礎——主要包括針對增材制造的技術特點（例如，強設計相關特點、零件對于在成形空間內的取向及位置的相關性）、力學性能裕度選擇的差異以及實驗室之間的數(shù)據(jù)共享與比對等需求而開展的標準化工作，對于增材制造產品的最終型號應用具有重要價值與意義。
  

• 測試指南——主要包括采用常規(guī)測試方法進行增材制造測試的指導性建議以及針對于增材制造產品特點的專用測試技術指南，指導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，指導性建議主要包括了機械性能、物理性能、無損檢測以及在線監(jiān)測等標準，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陣結構的表征需求，開展了采用FT4特殊設備進行粉末流動性表征方法以及采用數(shù)字圖像相關（DIC）技術開展的有序胞元等效拉伸、壓縮及剪切性能測試方法的標準研究與制定。
  

• 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)生產廠所開展的評估技術及鑒定檢驗方面的指導性建議，用于對相應環(huán)節(jié)的軟硬件技術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的試樣制備標準，后續(xù)ISO與ASTM會聯(lián)合開展金屬材料的試樣制備標準的研究與制定。
  

鑒定與認證
鑒定與認證類標準主要包括了針對增材制造生產中的人、機、料、法、環(huán)、供等方面鑒定與認證需求所制定的標準。其中，在人員方面主要針對PBF-LB、PBF-EB、DED-LB以及DED-Arc等四大類技術操作人員，特別是定義了一類新的技術人員，即生產協(xié)同員（production coordinator）的鑒定標準；在設備方面重點包括了設備的安裝、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；在方法方面包括工藝控制與鑒定準則；在環(huán)境方面主要對增材制造廠所開展鑒定標準制定；在供應商方面則主要指PRI制定的供應商審核準則標準。

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等相關組織開展標準的研究與制定。標準主要包括風險等級及安全防護指南頂層指導、增材制造場地設施安全審核、金屬與聚合物增材制造設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打印機有害物質排放要求及檢測等方面的標準，從安全管理要求、測試方法等方面建立環(huán)境健康與安全標準體系。

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

醫(yī)療
增材制造在醫(yī)療領域的應用廣泛，需求也非常迫切。這里僅列出了ASTM針對于醫(yī)療領域制定的相關標準。在醫(yī)療方面，ASTM重點關注了醫(yī)用粉末床熔融工藝粉末循環(huán)再利用以及復雜結構中殘余物去除的評估方面，同時對于醫(yī)療設備增材制造工藝過程確認也開展了指南的編制，用于指導、推動增材制造在醫(yī)療領域的應用。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，北京航空航天大學機械學院 博士后。長期從事增材制造、材料與制造領域標準化相關工作，主持編制并發(fā)布了國內首套增材制造專業(yè)領域行業(yè)標準，共計主持和參與了30余項國家級、行業(yè)級增材制造領域標準的研究與編制、中國工程院戰(zhàn)略咨詢研究項目2項，獲中國航空工業(yè)集團公司三等功一次。

現(xiàn)任美國ASTM F42增材制造技術委員會委員、SAE AMS-AM增材制造技術委員會委員、國家增材制造標準化技術委員會（SAC/TC 562）委員、江蘇省質量技術監(jiān)督計劃科技評審專家等。