3D打印-增材制造國家標準體系建設與發(fā)展規(guī)劃

魔猴君  知識堂   922天前

本文分析了國內(nèi)外增材制造標準化現(xiàn)狀，結合“十四五”規(guī)劃提出了增材制造標準體系建設的指導思想，歸納出三個實施方向：技術維度、保障維度及應用領域維度，明確了中國推進增材制造業(yè)應強化標準研究和技術研發(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)基礎能力和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平，領航增材制造產(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、設計、材料、制造工藝、產(chǎn)品、測試評估、安全、修理和應用行業(yè)等多個方面[3，4]。

ASTM F42增材制造技術委員會于2009年成立，是最早成立的增材制造技術委員會的標準化協(xié)會組織。其主要目標是制定增材制造材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務等領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 針對增材制造技術成立的標準化技術委員會，它的工作范圍涉及相關工藝、術語和定義、工藝鏈（硬件和軟件）、試驗程序、質(zhì)量參數(shù)、供應協(xié)議及所有的基礎共性技術。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領域的標準化工作。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標準的通用結構/層次結構，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、設計、安全防護和服務等多個方面[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)不同的技術難題開展了大量基礎技術研究；三是增材制造標準化協(xié)作組織（AMSC）由不同應用場景和技術鏈條的單位組成，由企業(yè)、政府組織（DoD、FAA、NASA等）、高校與科研機構、標準化機構（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，通過基礎研究，最后制定出可以促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應用的依據(jù)標準[5，8-9]。

歐洲在增材制造技術及設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）針對增材制造技術的發(fā)展與應用制定了相應的標準。VDI已發(fā)布及在制定的標準達26項，涉及術語定義、材料鑒定、質(zhì)量控制、設計準則、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標準制定之外，還依據(jù)德國本身技術及應用發(fā)展的需求，制定了激光粉末床熔融增材制造設備驗收、操作人員鑒定、粉末材料、零件檢測及成形技術規(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計流程的、專用的統(tǒng)一文件格式，以便打通從設計到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、點陣晶格結構、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)布了快速成形設備及安全的相關標準，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合當時快速成形技術現(xiàn)狀而提出的。隨著近幾年增材制造技術的快速發(fā)展，全國增材制造標準化技術委員會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標準化工作。全國增材制造標準化技術委員會結合《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017－2020年）》《增材制造標準領航行動計劃（2020－2022年）》等有關政策要求，重點圍繞標準制修訂、標準化科研、標委會組織建設等方面開展了一系列工作，結合我國增材制造技術和標準化工作已經(jīng)形成的基礎和特點，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委員會于2019年標委會組建了測試方法分技術委員會SAC/TC562/SC1，負責增材制造領域的專用材料、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委員會也針對增材制造技術在各領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委員會（SAC/TC 243）、全國特種加工機床標準化技術委員會（SAC/TC 161）等，與增材制造相關的全國專業(yè)標準化技術委員會約10余個，在不同應用領域共同推動增材制造標準化工作。目前我國已發(fā)布的增材制造技術相關國家標準共計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委員會牽頭負責，是中國在增材制造領域牽頭制定的第一項國際標準，標志著我國在增材制造領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、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，建立健全增材制造標準體系[11]。

增材制造技術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)揮關鍵技術標準在產(chǎn)業(yè)協(xié)同、技術協(xié)作中的紐帶和驅(qū)動作用，增強產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈穩(wěn)定性和產(chǎn)業(yè)綜合競爭力[12，13]。

增材制造技術領域標準體系實施方向應從技術維度、保障維度及應用領域維度這三個維度進行。技術維度是增材制造技術的核心部分，主要從增材制造技術的一般工藝過程需求出發(fā)，分為設計、裝備、材料及工藝等，以科技創(chuàng)新提升標準水平，重點加快制定關鍵技術標準，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。保障維度是增材制造技術的基本保障，主要從增材制造技術全生命周期的保障技術需求出發(fā)，建立各環(huán)節(jié)、各階段、各類事物及人員的基礎性、檢測、認證、安全、基礎數(shù)據(jù)格式、運維服務、驗證平臺、網(wǎng)絡協(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。應用領域維度則依據(jù)增材制造技術產(chǎn)品在各領域應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標準體系。開展不同應用領域的標準化試點示范，強化標準核心技術指標研究，重點支持基礎通用、產(chǎn)業(yè)共性、新興產(chǎn)業(yè)應用和融合技術等領域的標準研制[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)基礎能力和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平，領航增材制造產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[14]。到2025年，結構優(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，充分發(fā)揮標準化在推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化建設中的基礎性和引領作用。

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