我國增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系的建議

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(無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院, 無錫 214101)

我國增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系的建議

劉瓊馨,王順權(quán)

(無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院, 無錫 214101)

介紹了國外增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系及國內(nèi)增材制造產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀，并根據(jù)我國增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況，提出了以通用基礎(chǔ)、增材制造軟件及數(shù)據(jù)處理、材料、成形工藝、系統(tǒng)及部件、設(shè)備、成形件、檢測評估、技術(shù)服務(wù)等9大子體系來組成我國增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系框架的建議，同時還對我國增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系的建設(shè)提出了建議，為推動我國增材制造產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)支撐。

增材制造； 產(chǎn)業(yè)； 標(biāo)準(zhǔn)化； 技術(shù)體系

標(biāo)準(zhǔn)是新技術(shù)從誕生走向成熟的標(biāo)志，是一種產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的秩序體現(xiàn)，也是新技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的基礎(chǔ)。產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系是指在產(chǎn)業(yè)范圍內(nèi)，所有標(biāo)準(zhǔn)按內(nèi)在聯(lián)系而形成的科學(xué)有機(jī)整體。標(biāo)準(zhǔn)體系及標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，是科技水平、資源條件、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、管理和政策等因素的綜合反映。筆者旨在通過研究國內(nèi)外增材制造產(chǎn)業(yè)及標(biāo)準(zhǔn)體系情況，對我國增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系的建立作初步探討。

1 我國增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建立的重要性

增材制造在一定程度上俗稱三維(3D)打印。自2009年以來，全球3D打印產(chǎn)業(yè)保持快速增長態(tài)勢，市場收入年復(fù)增長率超過25%。沃勒斯協(xié)會(Wohlers Associates)調(diào)查報(bào)告顯示，2015年全球增材制造行業(yè)市值接近51.65億美元，年復(fù)合增長率(CAGR)達(dá)25.9%。預(yù)計(jì)2017年全球3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破100億美元，2020年前，增材制造技術(shù)將全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。與此同時，國際增材制造標(biāo)準(zhǔn)從2009年開始進(jìn)入有組織的快速發(fā)展階段。美國材料試驗(yàn)協(xié)會ASTM(American Society of Testing Materials)和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO分別成立了專門的增材制造技術(shù)委員會ASTM F42和ISO/TC 261，開展增材制造領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)研究和制修訂工作，進(jìn)一步推動了增材制造技術(shù)在各領(lǐng)域的快速發(fā)展[1]。

我國增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作與國際上的基本同時起步，但在產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的近5 a(年)時間內(nèi)未能與時俱進(jìn)，遠(yuǎn)滯后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于在增材制造材料、裝備及產(chǎn)品性能、質(zhì)量評價(jià)、尺寸精度、可靠性、穩(wěn)定性等方面缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，市場秩序較混亂。目前我國現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)主要針對于早期的快速成形機(jī)床產(chǎn)品，尚未形成增材制造產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系，這在一定程度上阻礙了我國增材制造技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。

因此，我國迫切需要建立增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，確定標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作規(guī)劃，有計(jì)劃、有步驟地推進(jìn)整個標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷完善，進(jìn)一步提升我國增材制造產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)水平、質(zhì)量可靠性和市場競爭力，規(guī)范和促進(jìn)我國增材制造產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，推動增材制造技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。同時加強(qiáng)國際標(biāo)準(zhǔn)化交流和互動，帶領(lǐng)中國增材制造企業(yè)搶占國際標(biāo)準(zhǔn)制高點(diǎn)。

2 國外增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系

2.1ASTM增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系

2012年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院NIST提出了增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略規(guī)劃，確定了增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)制修訂任務(wù)、規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先級，以實(shí)現(xiàn)ASTM F42影響的最大化，同時避免標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)與矛盾，提高標(biāo)準(zhǔn)的整體性和易用性。

ASTM增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作的重點(diǎn)主要涉及9個方面的內(nèi)容[2]，分別為鑒定和認(rèn)證方法、設(shè)計(jì)指南、原材料性能檢測方法、3D打印終端部件力學(xué)性能檢測方法、材料回收(再利用)指南、循環(huán)測試標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)測試樣件、3D打印制品選購要求、現(xiàn)有ISO/ASTM術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。

目前為止，ASTM共頒布了10余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，現(xiàn)有20多個標(biāo)準(zhǔn)仍在制修訂過程中，不僅涵蓋了術(shù)語、文件格式、設(shè)計(jì)指南等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，也包括激光和電子束鋪粉熔覆工藝制造的鈦合金和鎳合金產(chǎn)品、增材制造裝備如塑料粉末床等相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成了基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系和開放的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系。

表1 已發(fā)布的ASTM增材制造標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Published ASTM standards for additive manufacturing

2.2ISO增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系

2015年，ISO/TC 261與ASTM F42兩個組織達(dá)成初步的標(biāo)準(zhǔn)工作框架協(xié)定，將增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架分為3個層次[3]。其中最高級為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，包括術(shù)語、工藝與材料、測試方法、設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)等方面；第二級為分類標(biāo)準(zhǔn)，包括原材料、工藝、裝備分類、零件技術(shù)指標(biāo)及測試等方面；第三級為專用標(biāo)準(zhǔn)，包括專用材料檢測標(biāo)準(zhǔn)、工藝專用標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等。

目前 ISO/TC 261單獨(dú)發(fā)布了4項(xiàng)增材制造標(biāo)準(zhǔn)，并與ASTM F42聯(lián)合制定了3項(xiàng)增材制造標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示，初步構(gòu)建了頂層基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系。

表2 已發(fā)布的ISO增材制造標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Published ISO standards of additive manufacturing

3 我國增材制造產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

我國于2002年開始增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)工作，依托全國特種加工機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，主要針對快速成形機(jī)床產(chǎn)品制訂了近10項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但內(nèi)容較單一，標(biāo)準(zhǔn)沒有涉及關(guān)鍵共性、設(shè)計(jì)、工藝和方法、檢驗(yàn)與測試等方面的需求，很難全面反映國內(nèi)現(xiàn)有增材制造技術(shù)的研究水平。

近年來，國家出臺各項(xiàng)政策支持增材制造的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，對標(biāo)準(zhǔn)化工作也提出了要求?！对霾闹圃飚a(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016年)》明確提出要建立和完善產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。增材制造作為智能制造的核心技術(shù)，也是《國家標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》中的重要工作內(nèi)容。此外，開展增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作也是對接《中國制造2025》等國家重大規(guī)劃和戰(zhàn)略布署、推動我國增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要手段。

2014年7月，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心作為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO/TC 261的國內(nèi)技術(shù)對口單位，并推動我國成為ISO/TC 261的參與成員國(Participating Member)[4]。2016年，全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC 562)正式成立，主要負(fù)責(zé)制修訂相關(guān)行業(yè)的國家標(biāo)準(zhǔn)，包括增材制造術(shù)語和定義、工藝方法、測試方法、質(zhì)量評價(jià)、軟件系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)服務(wù)等方面，進(jìn)一步規(guī)范中國3D打印市場產(chǎn)品及服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，我國已發(fā)布及正在制修訂中的增材制造標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，共有國家標(biāo)準(zhǔn)13項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)，其中針對早期快速成形機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)11項(xiàng)?！对霾闹圃旒夹g(shù) 術(shù)語》、《增材制造技術(shù) 文件格式》等6項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)已立項(xiàng)，并成立了標(biāo)準(zhǔn)起草組，實(shí)現(xiàn)了增材制造領(lǐng)域重要基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的突破。

4 我國增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系

4.1對我國增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系框架的建議

根據(jù)我國增材制造產(chǎn)業(yè)構(gòu)成，結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系的研究情況，探索以通用基礎(chǔ)、增材制造軟件、材料、成形工藝、系統(tǒng)及部件、設(shè)備、成形件、檢測評估、技術(shù)服務(wù)共9大部分來組成我國增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系框架，每部分由若干個不同的標(biāo)準(zhǔn)子體系構(gòu)成。

通用基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)分為術(shù)語和定義、分類、通用技術(shù)規(guī)范。增材制造軟件及數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)子體系包括設(shè)計(jì)軟件、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換、控制軟件、掃描軟件等標(biāo)準(zhǔn)。增材制造材料標(biāo)準(zhǔn)子體系由金屬材料、非金屬材料、生物材料、復(fù)合材料等組成。增材制造材料成形工藝子體系由金屬成形工藝、非金屬成形工藝、生物成形工藝、復(fù)合成形工藝等組成。增材制造系統(tǒng)及部件標(biāo)準(zhǔn)子體系由供料系統(tǒng)及部件、運(yùn)動執(zhí)行系統(tǒng)及部件、光學(xué)系統(tǒng)及部件、能量源系統(tǒng)及部件、監(jiān)控系統(tǒng)及部件等標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成。增材制造設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)子體系包括工業(yè)級增材制造設(shè)備、消費(fèi)級增材制造設(shè)備、生物醫(yī)療增材制造設(shè)備、食用品增材制造設(shè)備、衍生品(如三維掃描儀、3D打印筆)等標(biāo)準(zhǔn)。增材制造檢測評估標(biāo)準(zhǔn)子體系主要包括試驗(yàn)方法、檢測設(shè)備、評價(jià)規(guī)范、實(shí)施規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)。增材制造成形件標(biāo)準(zhǔn)子體系主要包括面向工業(yè)制造、生物醫(yī)療、航空航天、消費(fèi)文化等領(lǐng)域制造的成形件標(biāo)準(zhǔn)。增材制造技術(shù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)子體系主要包括云服務(wù)、系統(tǒng)集成、維護(hù)、培訓(xùn)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此提出了增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系框架，如圖1所示。

圖1 增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化體系框架Fig.1 Standard system framework of additive manufacturing industry

4.2對我國增材制造產(chǎn)業(yè)綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系建設(shè)的建議

(1) 由于增材制造技術(shù)的工藝、材料、應(yīng)用涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域，因此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究制訂工作是一項(xiàng)十分艱巨而重要的任務(wù)，需要更多產(chǎn)業(yè)鏈上的機(jī)構(gòu)和專業(yè)技術(shù)人員參與到該產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)中來。

(2) 加快已立項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制訂進(jìn)度，積極開展具有先進(jìn)技術(shù)水平的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，對適合我國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)的相應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的標(biāo)準(zhǔn)及時進(jìn)行轉(zhuǎn)化。同時積極參與國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，帶領(lǐng)中國增材制造企業(yè)搶占標(biāo)準(zhǔn)制高點(diǎn)。

(3) 檢測評估標(biāo)準(zhǔn)是檢驗(yàn)和評價(jià)增材制造軟件、材料、裝備、零部件、應(yīng)用產(chǎn)品的特性、功能、可靠性、安全性等的重要依據(jù)，檢測評估標(biāo)準(zhǔn)子體系應(yīng)作為我國增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的重要內(nèi)容。

(4) 加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的宣貫和培訓(xùn)工作，加深產(chǎn)業(yè)鏈各方對標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識和理解，提高相關(guān)企業(yè)貫徹執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的自覺性，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平的提升。

5 結(jié)束語

從國內(nèi)外增材制造技術(shù)及應(yīng)用情況的研究可見[5-6]，增材制造技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到工業(yè)制造、醫(yī)療、航空航天等對國家和人民生活安全有重大影響的領(lǐng)域。建立和完善增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系已列為《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016年)》和《國家標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》中的重要工作內(nèi)容。隨著我國增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作的不斷發(fā)展以及標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和完善，標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范、支撐和引領(lǐng)作用將為增材制造產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供有效的標(biāo)準(zhǔn)支撐。

[1] 景綠路.國外增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2013(4):44-48,56.

[2] 黎海雄.歐盟3D打印標(biāo)準(zhǔn)化路線圖(上)[J].新材料產(chǎn)業(yè),2016(6):16-22.

[3] 王燦友,蘇秦,李滌塵.3D打印標(biāo)準(zhǔn)化探究[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2015(12):18-21.

[4] 肖承翔,李海斌.增材制造技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化最新進(jìn)展[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2015(6):27-29.

[5] 李振,張?jiān)撇?張鑫鑫.光敏樹脂和光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊,2016,52(10):686-689,712.

[6] 史玉升.3D打印技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2016,45(2):11-16.

SuggestionsforTechnologySystemofIntegratedStandardizationforAdditiveManufacturingIndustryinChina

LIUQiongxin,WANGShunquan

(Wuxi Institution of Supervision and Testing on Product Quality, Wuxi 214101, China)

The current situation of additive manufacturing industry standards at home and abroad was introduced. According to the development situation of China additive manufacturing industry, the system framework of national additive manufacturing industry standards was proposed, which was consisted of nine subsystems of general basic, software and data processing for additive manufacturing, materials, forming processes, systems and components, equipments, formed parts, test and evaluation, technical services. Some suggestions for technology system construction of integrated standardization for additive manufacturing industry were put forward, in order to promote the sound development of additive manufacturing industry in China.

additive manufacturing; industry; standardization; technology system

10.11973/lhjy-wl201709008

2016-11-15

劉瓊馨(1982-)，女，高級工程師，博士，主要從事增材制造領(lǐng)域檢測及標(biāo)準(zhǔn)研究工作，johnking_liu@126.com

G307

：A

：1001-4012(2017)09-0651-04