3D打印-增材制造國家標準體系建設(shè)與發(fā)展規(guī)劃

魔猴君  知識堂   989天前

本文分析了國內(nèi)外增材制造標準化現(xiàn)狀，結(jié)合“十四五”規(guī)劃提出了增材制造標準體系建設(shè)的指導思想，歸納出三個實施方向：技術(shù)維度、保障維度及應(yīng)用領(lǐng)域維度，明確了中國推進增材制造業(yè)應(yīng)強化標準研究和技術(shù)研發(fā)同步、國內(nèi)標準和國際標準同步、標準實施與產(chǎn)業(yè)化同步，以先進適用的標準提升產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平，領(lǐng)航增材制造產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

圖一：增材制造標準體系框架© 國家增材制造創(chuàng)新中心

 1  序言

增材制造——崛起中的智能制造方式

增材制造不僅僅是炫酷的前沿科技，更是有望革新制造業(yè)的“潛力股”。其集合了大規(guī)模生產(chǎn)的高效和手工生產(chǎn)的靈活等優(yōu)點，可被引入制造業(yè)的全流程，能實現(xiàn)制造過程的高效率和低成本[1]。近年來，我國增材制造行業(yè)由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，緊跟智能制造強國的主攻方向，也是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快高質(zhì)量發(fā)展的重要交匯點。制造業(yè)提質(zhì)增效步伐不斷加快，供給和創(chuàng)新服務(wù)能力不斷提升，支撐標準體系也需要逐漸完善[2]。

2 國外增材制造標準現(xiàn)狀

目前全球范圍內(nèi)，已經(jīng)出現(xiàn)了很多關(guān)于增材制造的標準，推出標準的單位有國際標準化組織、各國的國防軍工部門，航空方面有FAA/NASA、3MF/ASTM等國外先進標準化組織。包含發(fā)布、在編及計劃編制的標準，總計200余項。已經(jīng)發(fā)布的增材制造標準涉及通用基礎(chǔ)、設(shè)計、材料、制造工藝、產(chǎn)品、測試評估、安全、修理和應(yīng)用行業(yè)等多個方面[3，4]。

ASTM F42增材制造技術(shù)委員會于2009年成立，是最早成立的增材制造技術(shù)委員會的標準化協(xié)會組織。其主要目標是制定增材制造材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務(wù)等領(lǐng)域的特性和性能標準、試驗方法和程序標準，促進增材制造的技術(shù)推廣與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國際標準化組織（ISO）是國際標準化領(lǐng)域中一個十分重要的全球性非政府組織，ISO/TC 261于2011年創(chuàng)建，是ISO 針對增材制造技術(shù)成立的標準化技術(shù)委員會，它的工作范圍涉及相關(guān)工藝、術(shù)語和定義、工藝鏈（硬件和軟件）、試驗程序、質(zhì)量參數(shù)、供應(yīng)協(xié)議及所有的基礎(chǔ)共性技術(shù)。ISO/TC 261創(chuàng)建當年就與ASTM F42簽署合作協(xié)議，共同開展增材制造技術(shù)領(lǐng)域的標準化工作。2013年，ISO/TC261與ASTM F42共同發(fā)布了一份《增材制造標準制定聯(lián)合計劃》，該計劃包含了AM標準的通用結(jié)構(gòu)/層次結(jié)構(gòu)，以保證由任何一方所發(fā)起的項目都能實現(xiàn)一致性。截止到目前，ISO/TC261已與ASTM成立了26個聯(lián)合工作組，共同推進標準制定工作，已發(fā)布及在制定標準共計61項，標準涉及了增材制造的材料與工藝、測試方法、設(shè)計、安全防護和服務(wù)等多個方面[5-8]。

ASTMASTM增材制造標準分類© AST

美國的增材制造標準發(fā)展較快，有三方面原因，一是美國國防部提出了“增材制造路線圖”，二是美國制造（American Makes）根據(jù)不同的技術(shù)難題開展了大量基礎(chǔ)技術(shù)研究；三是增材制造標準化協(xié)作組織（AMSC）由不同應(yīng)用場景和技術(shù)鏈條的單位組成，由企業(yè)、政府組織（DoD、FAA、NASA等）、高校與科研機構(gòu)、標準化機構(gòu)（ASTM、SAE）等一起合作形成?？傮w上，美國增材制造是以軍事和工程化需求來牽引，通過基礎(chǔ)研究，最后制定出可以促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用的依據(jù)標準[5，8-9]。

歐洲在增材制造技術(shù)及設(shè)備研究方面也一直走在世界前列，德國航空航天標準化協(xié)會（DIN）與德國工程師協(xié)會（VDI）針對增材制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用制定了相應(yīng)的標準。VDI已發(fā)布及在制定的標準達26項，涉及術(shù)語定義、材料鑒定、質(zhì)量控制、設(shè)計準則、操作安全以及成形特征的統(tǒng)計與驗證等多個方面。DIN除了積極參與國際標準化組織、歐洲標準化組織的相關(guān)標準制定之外，還依據(jù)德國本身技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的需求，制定了激光粉末床熔融增材制造設(shè)備驗收、操作人員鑒定、粉末材料、零件檢測及成形技術(shù)規(guī)范等標準，正在制定成形制品機械性能、非燃燒壓力容器、電弧定向能量沉積和金屬材料使用指南等標準，目前已發(fā)布及在制定標準共有14項[10]。

2015年4月，微軟、惠普、Shapeways、歐特克、達索系統(tǒng)、Netfabb和SLM Solutions7家公司建立了3MF聯(lián)盟，并著手推廣可用于整個增材制造設(shè)計流程的、專用的統(tǒng)一文件格式，以便打通從設(shè)計到3D打印期間的諸多環(huán)節(jié)，避免在此過程中出現(xiàn)信息數(shù)據(jù)損失。目前，3MF已發(fā)布了3D打印格式、材料及屬性、點陣晶格結(jié)構(gòu)、切片及制品的擴展名5份標準。

此外，國外的SAE、AWS、DNV·GL、NIST、IEEE、IPC、AMMI、ABNT和UL等組織或機構(gòu)也針對增材制造的特點在航空航天、汽車、焊接、船舶、計量、檢測、印刷電路板、消費類3D打印、醫(yī)療和安全等不同領(lǐng)域開展了標準的研究與制定。

 3 國內(nèi)增材制造標準現(xiàn)狀

我國最早于2006年就發(fā)布了快速成形設(shè)備及安全的相關(guān)標準，走在國際前列，但沒有專門開展過標準體系研究，早期幾項標準都是結(jié)合當時快速成形技術(shù)現(xiàn)狀而提出的。隨著近幾年增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，全國增材制造標準化技術(shù)委員會SAC/TC562在2016年4月正式成立，對接ISO/TC261，規(guī)范開展國內(nèi)及國際增材制造技術(shù)標準化工作。全國增材制造標準化技術(shù)委員會結(jié)合《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017－2020年）》《增材制造標準領(lǐng)航行動計劃（2020－2022年）》等有關(guān)政策要求，重點圍繞標準制修訂、標準化科研、標委會組織建設(shè)等方面開展了一系列工作，結(jié)合我國增材制造技術(shù)和標準化工作已經(jīng)形成的基礎(chǔ)和特點，推出了增材制造標準體系框架（見圖1）。

全國增材制造標準化技術(shù)委員會于2019年標委會組建了測試方法分技術(shù)委員會SAC/TC562/SC1，負責增材制造領(lǐng)域的專用材料、裝備成形件的特性、可靠性和安全性等測試方法的國家標準制修訂工作。除SAC/TC562以外，國內(nèi)其他國家標準化技術(shù)委員會也針對增材制造技術(shù)在各領(lǐng)域開展了標準的制定工作，主要包括：全國有色金屬標準化技術(shù)委員會（SAC/TC 243）、全國特種加工機床標準化技術(shù)委員會（SAC/TC 161）等，與增材制造相關(guān)的全國專業(yè)標準化技術(shù)委員會約10余個，在不同應(yīng)用領(lǐng)域共同推動增材制造標準化工作。目前我國已發(fā)布的增材制造技術(shù)相關(guān)國家標準共計30余項。

2021年10月，國際標準I S O/I E C23510:2021 Information technology — 3D printing and scanning — Framework for an Additive Manufacturing Service Platform （AMSP）正式發(fā)布。該標準由全國增材制造標準化技術(shù)委員會牽頭負責，是中國在增材制造領(lǐng)域牽頭制定的第一項國際標準，標志著我國在增材制造領(lǐng)域的國際標準化工作實現(xiàn)了零的突破。

 4 增材制造標準“十四五”發(fā)展計劃

國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要提出完善智能制造標準體系的要求，助力我國智能制造業(yè)迅猛發(fā)展?！秶覙藴驶l(fā)展綱要》《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》《增材制造標準領(lǐng)航行動計劃（2020-2022年）》《“十四五”推動高質(zhì)量發(fā)展的國家標準體系建設(shè)規(guī)劃》等文件的部署，對智能制造標準化提出了新的要求。增材制造行業(yè)也要緊跟智能制造規(guī)劃的“兩步走、四大任務(wù)、六個行動、四項措施”，立足于智能制造這個基本本質(zhì)，緊扣增材特征，以工藝、裝備為核心，以材料、數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立健全增材制造標準體系[11]。

增材制造技術(shù)標準體系以三個方面為指導思想進行規(guī)劃。一是緊扣目標導向，必須以規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展、促進技術(shù)進步、利于專業(yè)交流等目標為導向，利用綜合標準化的思想建立標準體系，健全科技成果轉(zhuǎn)化為標準的機制，加強政府引導和產(chǎn)業(yè)協(xié)同。二是要系統(tǒng)分析，需要從全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈、全技術(shù)體系等維度開展分析，形成綜合性的標準系統(tǒng)，以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)進步的需求，推動標準化發(fā)展向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變。三是進行整體優(yōu)化，尋求整個產(chǎn)業(yè)的最優(yōu)配置，協(xié)調(diào)行業(yè)相關(guān)上、中、下游的標準化需求，合理統(tǒng)一規(guī)劃，促進上、下游產(chǎn)業(yè)鏈的有效銜接，避免重復、不匹配等問題，發(fā)揮關(guān)鍵技術(shù)標準在產(chǎn)業(yè)協(xié)同、技術(shù)協(xié)作中的紐帶和驅(qū)動作用，增強產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定性和產(chǎn)業(yè)綜合競爭力[12，13]。

增材制造技術(shù)領(lǐng)域標準體系實施方向應(yīng)從技術(shù)維度、保障維度及應(yīng)用領(lǐng)域維度這三個維度進行。技術(shù)維度是增材制造技術(shù)的核心部分，主要從增材制造技術(shù)的一般工藝過程需求出發(fā)，分為設(shè)計、裝備、材料及工藝等，以科技創(chuàng)新提升標準水平，重點加快制定關(guān)鍵技術(shù)標準，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。保障維度是增材制造技術(shù)的基本保障，主要從增材制造技術(shù)全生命周期的保障技術(shù)需求出發(fā)，建立各環(huán)節(jié)、各階段、各類事物及人員的基礎(chǔ)性、檢測、認證、安全、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式、運維服務(wù)、驗證平臺、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造和綠色制造等標準，加強標準實施效果評估，提升標準實施效能。應(yīng)用領(lǐng)域維度則依據(jù)增材制造技術(shù)產(chǎn)品在各領(lǐng)域應(yīng)用的不同要求及特點進行，細分行業(yè)需求，包括航天、航空、核工業(yè)、船舶、汽車、軌道交通、生物醫(yī)療、教育和兵器軍工等，由此健全增材制造技術(shù)標準體系。開展不同應(yīng)用領(lǐng)域的標準化試點示范，強化標準核心技術(shù)指標研究，重點支持基礎(chǔ)通用、產(chǎn)業(yè)共性、新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和融合技術(shù)等領(lǐng)域的標準研制[12]。

同時，還要健全標準化人才培養(yǎng)體系，提升信息化支撐能力，拓展標準化國際合作，強化標準研究和技術(shù)研發(fā)同步、國內(nèi)標準和國際標準同步、標準實施與產(chǎn)業(yè)化同步，以先進適用的標準提升產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平，領(lǐng)航增材制造產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[14]。到2025年，結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進合理、國際兼容的標準體系更加健全，標準化質(zhì)量效益不斷顯現(xiàn)，全面形成市場驅(qū)動、政府引導、企業(yè)為主、社會參與、開放融合的標準化工作格局[13，15]。

5 結(jié)束語

“十四五”期間，我國將面臨更加復雜的國際形勢，國家間的產(chǎn)業(yè)競爭也會更加激烈。在這個背景下，堅定不移地實施制造強國戰(zhàn)略，以智能制造為主攻方向，找到符合自己的發(fā)展路徑和發(fā)展模式發(fā)展好制造業(yè)，將是我國應(yīng)對外部競爭的底氣[16]。以標準促進科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，助推產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級，支撐國內(nèi)大循環(huán)、國內(nèi)國際雙循環(huán)建設(shè)，充分發(fā)揮標準化在推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化建設(shè)中的基礎(chǔ)性和引領(lǐng)作用。

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