3D打印-增材制造國家標準體系建設與發展規劃
本文分析了國內外增材制造標準化現狀，結合“十四五”規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應強化標準研究和技術研發同步、國內標準和國際標準同步、標準實施與產業化同步，以先進適用的標準提升產業基礎能力和產業鏈現代化水平，領航增材制造產業高質量發展。
圖一：增材制造標準體系框架
© 國家增材制造創新中心
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的“潛力股”。其集合了大規模生產的高效和手工生產的靈活等優點，可被引入制造業的全流程，能實現制造過程的高效率和低成本[1]。近年來，我國增材制造行業由高速增長階段轉向高質量發展階段，緊跟智能制造強國的主攻方向，也是新一輪科技革命和產業變革與我國加快高質量發展的重要交匯點。制造業提質增效步伐不斷加快，供給和創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狀
目前全球范圍內，已經出現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。包含發布、在編及計劃編制的標準，總計200余項。已經發布的增材制造標準涉及通用基礎、設計、材料、制造工藝、產品、測試評估、安全、修理和應用行業等多個方面[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會組織。其主要目標是制定增材制造材料、產品、系統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業發展。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、質量參數、供應協議及所有的基礎共性技術。ISO/TC 261創建當年就與ASTM F42簽署合作協議，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共同發布了一份《增材制造標準制定聯合計劃》，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起的項目都能實現一致性。截止到目前，ISO/TC261已與ASTM成立了26個聯合工作組，共同推進標準制定工作，已發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]。
ASTM增材制造標準分類
© ASTM
美國的增材制造標準發展較快，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作組織（AMSC）由不同應用場景和技術鏈條的單位組成，由企業、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。總體上，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業發展和應用的依據標準[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會（DIN）與德國工程師協會（VDI）針對增材制造技術的發展與應用制定了相應的標準。VDI已發布及在制定的標準達26項，涉及術語定義、材料鑒定、質量控制、設計準則、操作安全以及成形特征的統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，還依據德國本身技術及應用發展的需求，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、Netfabb和SLM Solutions7家公司建立了3MF聯盟，并著手推廣可用于整個增材制造設計流程的、專用的統一文件格式，以便打通從設計到3D打印期間的諸多環節，避免在此過程中出現信息數據損失。目前，3MF已發布了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、醫療和安全等不同領域開展了標準的研究與制定。
3 國內增材制造標準現狀
我國最早于2006年就發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狀而提出的。隨著近幾年增材制造技術的快速發展，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，規范開展國內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《增材制造產業發展行動計劃（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了零的突破。
4 增材制造標準“十四五”發展計劃
國家“十四五”規劃和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迅猛發展。《國家標準化發展綱要》《“十四五”智能制造發展規劃》《增材制造標準領航行動計劃（2020-2022年）》《“十四五”推動高質量發展的國家標準體系建設規劃》等文件的部署，對智能制造標準化提出了新的要求。增材制造行業也要緊跟智能制造規劃的“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，緊扣增材特征，以工藝、裝備為核心，以材料、數據為基礎，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劃。一是緊扣目標導向，必須以規范產業發展、促進技術進步、利于專業交流等目標為導向，利用綜合標準化的思想建立標準體系，健全科技成果轉化為標準的機制，加強政府引導和產業協同。二是要系統分析，需要從全產業鏈、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，以滿足產業發展、技術進步的需求，推動標準化發展向質量效益型轉變。三是進行整體優化，尋求整個產業的最優配置，協調行業相關上、中、下游的標準化需求，合理統一規劃，促進上、下游產業鏈的有效銜接，避免重復、不匹配等問題，發揮關鍵技術標準在產業協同、技術協作中的紐帶和驅動作用，增強產業鏈供應鏈穩定性和產業綜合競爭力[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，分為設計、裝備、材料及工藝等，以科技創新提升標準水平，重點加快制定關鍵技術標準，推動產業發展。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，建立各環節、各階段、各類事物及人員的基礎性、檢測、認證、安全、基礎數據格式、運維服務、驗證平臺、網絡協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增材制造技術產品在各領域應用的不同要求及特點進行，細分行業需求，包括航天、航空、核工業、船舶、汽車、軌道交通、生物醫療、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、產業共性、新興產業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同步、國內標準和國際標準同步、標準實施與產業化同步，以先進適用的標準提升產業基礎能力和產業鏈現代化水平，領航增材制造產業高質量發展[14]。到2025年，結構優化、先進合理、國際兼容的標準體系更加健全，標準化質量效益不斷顯現，全面形成市場驅動、政府引導、企業為主、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，國家間的產業競爭也會更加激烈。在這個背景下，堅定不移地實施制造強國戰略，以智能制造為主攻方向，找到符合自己的發展路徑和發展模式發展好制造業，將是我國應對外部競爭的底氣[16]。以標準促進科技創新成果轉化，助推產業發展升級，支撐國內大循環、國內國際雙循環建設，充分發揮標準化在推進國家治理體系和治理能力現代化建設中的基礎性和引領作用。
(責任編輯：admin)
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