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、保障維度及應用領(lǐng)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(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
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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(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(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(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)展和應用的依據(jù)標準[5,8-9]。
歐洲在增材制造技術(shù)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(shù)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(shù)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(guān)標準制定之外,還依據(jù)德國本身技術(shù)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(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(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。《國家標準化發(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(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從技術(shù)維度、保障維度及應用領(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、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(lǐng)域維度則依據(jù)增材制造技術(shù)產(chǎn)品在各領(lǐng)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(shù)標準體系。開展不同應用領(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(chǔ)性和引領(lǐng)作用。
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[11]中華人民共和國工業(yè)和信息化部,等.八部門關(guān)于印發(fā)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》的通知[R].(2021-12-28)[2022-02-22]. https://wap.miit.gov.cn/zwgk/zcw ... cNyM4CtEybGPq.html.
[13]國家標準化管理委員會,等.關(guān)于印發(fā)《“十四五”推動高質(zhì)量發(fā)展的國家標準體系建設規(guī)劃》的通知[R].(2021-12-06)[2022-02-25]. http://www.sac.gov.cn/sxxgk/zcwj/202112/t20211222_349879.html.
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[15]中共中央、國務院. 中共中央 國務院印發(fā)《國家標準化發(fā)展綱要》[R]. (2021-10-10)[2022-02-26]. http://www.gov.cn/zhengce/2021-10/10/content_5641727.htm.
[16]付保宗. “十四五”時期我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)五大趨勢[J]. 經(jīng)濟縱橫,2020(5):76-86.
l本文發(fā)表于《金屬加工(冷加工)》2022年第4期第1~4頁,作者:國家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學 盧秉恒;國家增材制造創(chuàng)新中心 侯穎;國家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學 張建勛。原標題:《增材制造國家標準體系建設與發(fā)展規(guī)劃》
來源:3D科學谷
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