增材制造机床产品标准体系的构建

王　应，于志三

（苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011）



增材制造机床产品标准体系的构建

王应，于志三

（苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011）

摘要：通过对增材制造产业发展概况、国内增材制造机床产品标准现状的介绍，初步建立了增材制造机床产品标准体系框图，为今后开展增材制造机床产品标准的制修订和相关标准化工作提供依据。

关键词：增材制造机床；产品标准；标准体系

相对于机械制造业常用的减材制造方法，增材制造（additive manufacturing，AM）方法从20世纪80年代起被人们所熟知并应用。虽然减材制造的工件表面质量较高，但材料利用率低、加工周期长、成本高。作为一种新兴的特种加工技术，增材制造通常能在一台设备上快速制造出任意形状的零件，且通过三维至二维的转化，能大大简化工件的加工成形工序，缩短加工周期，降低加工成本；而其应用也已覆盖至机械、汽车、能源、航空航天、生物医疗、食品及个人消费品等领域。因此，增材制造曾被西方媒体誉为“第三次工业革命”的新技术。

1　增材制造技术产业发展概况

一种新技术从诞生到发展、应用，都要依托设备，增材制造技术产业的发展与应用也不例外。目前，增材制造技术原理结合不同的工艺、材料所形成的增材制造机床及设备多达几十种，激光烧结式（selective laser sintering，SLS）、激光熔化式（selective laser melting，SLM）、光固化式（stereo lithography，SL）、熔融沉积式（fused deposition modeling，FDM）、叠层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）等多种型式的增材制造机床设备各具特色。我国的清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学、华南理工大学等都有各自的团队，致力于增材制造技术的科学研究；近年来国内从事增材制造机床开发与生产的企业也在雨后春笋般地涌现。

随着增材制造技术的日益发展，许多国家和地区相继进行工艺、产品的研发与应用，美国、日本、德国及中国开发的增材制造技术装备及系统已占世界总量的70%［1］。在应用领域方面，消费品和电子行业应用较多；而在生物医学领域，运用增材制造工艺制备牙科合金材料、人工骨支架结构的技术也日趋成熟。未来，增材制造技术将继续向功能零件制造、组织与结构一体化制造、人工定制化假体制造、汽车车型快速设计、航空航天产品零部件制造及日常消费品制造等方面不断发展，使该技术与产品创新相结合。同时，增材制造技术正在材料性能、精度控制及高效制造等关键技术上加大研发力度，以实现微纳米级的制造精度和提高大型构件的制造效率。

2　国内增材制造机床产品标准现状

目前，国内从事增材制造技术及设备研发的企事业单位较多，且形成了一定规模的用户需求，这就需要在制造商和用户之间对产品的性能要求达成一致，而标准就是最理想的工具。虽然我国已颁布十余项增材制造机床产品标准，但覆盖范围有限，尚未形成独立的标准体系。因此，研究制定不同种类的增材制造机床产品标准、开展增材制造机床产品标准体系建设工作，对增材制造机床行业的发展具有重要意义。

根据ISO国际标准分类，增材制造机床归属于数控机床类。由于增材加工时无切削作用力，属于非传统加工工艺，故增材制造机床一直是特种加工机床的重要组成部分，增材制造机床产品标准体系也因此成为特种加工机床产品标准体系（图1）的重要分支。

图1　特种加工机床产品标准体系框图

过去，增材制造技术及方法的叫法各异：快速成形、自由成形、快速原型制造、自由实体制造等。2004年发布的国内第一部有关增材制造的标准GB/T 14896.7-2004《特种加工机床术语第7部分：快速成形机床》中，也将增材制造称为“快速成形”。随着美国材料与试验协会（ASTM）发布ASTM F2792-12《增材制造技术标准术语》及中国国家标准化管理委员会发布GB/T 14896.7-2015［2］《特种加工机床术语第7部分：增材制造机床》（代替GB/ T 14896.7-2004），国内外已基本确立“增材制造”这一名词术语。GB/T 14896.7-2015标准将增材制造定义为：基于离散-堆积原理，由零件数字模型直接驱动材料逐层堆积的成形制造方法；将增材制造机床定义为：采用逐层离散/堆积的原理进行零件或构件制造的机床。

我国自20世纪90年代起开展增材制造技术的研究，最初以清华大学、西安交通大学、华中科技大学等少数几家高校的科研团队为代表，并研发出了几种具有代表性的增材制造机床。在国家倡导“产业发展，标准先行”的背景下，全国特种加工机床标准化技术委员会（SAC/TC161）组织上述单位制定了增材制造机床的相关产品验收标准。SAC/ TC161从20世纪90年代末开始研究制定增材制造机床的产品标准，是我国第一个从事增材制造机床标准研制工作的全国性标准化技术组织。截至2015年末，由其组织制定的现行有效的增材制造机床标准已有13项，其中，强制性国家标准3项、推荐性国家标准4项、推荐性机械行业标准6项（表1）。

表1　我国增材制造机床行业现行有效标准

3　增材制造机床产品标准体系的研究建立

为了更好地发挥标准化在推进国家治理体系和治理能力现代化中的基础性、战略性作用，促进经济持续健康发展和社会全面进步，国务院于2015 年3月印发了《深化标准化工作改革方案》（以下简称《方案》）。《方案》明确指出，目前我国现行的标准体系和标准化管理体制已不再适应社会主义市场经济发展的需要，对标准化工作的改革势在必行。其中，建立政府主导制定的标准与市场自主制定的标准协同发展、协调配套的新型标准体系成为改革的总体目标之一；整合精简强制性标准、优化完善推荐性标准、培育发展团体标准、放开搞活企业标准等则是改革的几项具体措施［3］。因此，增材制造机床产品标准体系的建立也应围绕《方案》加以实施。针对目前增材制造技术产业的发展状况，结合国内技术成熟、性能稳定的产品及其标准，初步建立一套增材制造机床产品标准体系，并据此开展该领域产品标准的制修订及相关标准化工作，以适应未来行业发展的需求。

首先，增材制造机床产品标准大致可分为以下几类：基础和通用性标准、产品验收标准、附配件标准及产品服务标准。其中，产品验收标准是最重要的部分，它直接影响着增材制造机床产品的设计、制造、使用等多个环节。其次，随着增材制造机床行业的日益发展，不同型式的机床产品已逐渐形成规模化、批量化生产，制造商需要使用产品验收标准规范设计制造的各个环节，而用户更需要利用产品验收标准达到对产品进行优选和验收的目的。

就目前增材制造机床行业来看，熔融沉积快速成形机床已制定了较全面的产品验收标准，安全防护技术要求、精度检验、参数及技术条件等4项标准涵盖了机床制造验收的各个环节，且能达到用户与制造商之间对产品性能指标达成一致性的要求，基本能满足今后一段时期的需要，熔融沉积快速成形机床的产品标准子体系也由此确立。其他技术成熟、产品性能稳定的增材制造机床可按熔融沉积快速成形机床的标准子体系建立各自的产品标准体系，且标准制定的种类、数量不限。由表1可看出，叠层实体制造快速成形机床、激光选区烧结快速成形机床、立体光固化激光快速成形机床都制定了各自的技术条件标准，或需再增加1～2项标准（如：精度检验），便能形成各自的产品标准子体系。刚性基板喷印成形机床也已制定了精度检验和技术条件等2项产品验收标准，其产品标准子体系也已形成；与之对应的挠性基板喷印成形机床已研制多年，随着产品投放市场及标准的跟进，此种机床的产品标准子体系也将形成。

此外，通过粉末完全熔化方式直接成形金属工件的激光熔化式、电子束熔化式增材制造机床也已投产，虽然目前还没有国家或行业标准的统一规范，但随着《方案》的实施，未来不论是团体标准，还是企业标准，都将对新品的研发、生产和使用提供标准依据，建立产品标准子体系也指日可待。通过以上分析，初步建立了增材制造机床产品标准体系框图（图2）。

图2　增材制造机床产品标准体系框图

4　结语

为抢抓新一轮科技革命的机遇，助力我国制造业转型升级，加快推进国内增材制造技术产业的发展，基于现有增材制造机床产品标准，初步建立了增材制造机床产品标准体系，不仅能为增材制造机床行业提供标准需求，而且随着标准制修订工作的有序开展和标准体系的不断完善，还能推动增材制造关键技术的突破，促进其在航空航天、国防军工领域的推广应用，对实现大规模产业化、工程化应用具有重要意义。

参考文献：

［1］李涤尘，田小永，王永信，等.增材制造技术的发展［J］.电加工与模具，2012（增刊1）：20-22.

［2］全国特种加工机床标准化技术委员会. GB/T 14896.7-2015特种加工机床术语第7部分：增材制造机床［S］.北京：中国标准出版社，2015.

［3］中国政府网.国务院印发深化标准化工作改革方案［J］.机械工业标准化与质量，2015（4）：7-10.

Establishment of Additive Manufacturing Machines Product Standard System

Wang Ying，Yu Zhisan
（Suzhou Electromachining Machine Tool Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou 215011，China）

Abstract：Through the introduction to development situation of additive manufacturing（AM）industry and internal product standard actuality of AM machines，the flow chart of AM machines standard system is established. It provides basis for carrying out setting and revising standards，standardization works of AM machines product in the future.

Key words：additive manufacturing machines；product standard；standard system

中图分类号：TG66

文献标识码：A

文章编号：1009－279X（2016）02－0067-03

收稿日期：2015-12-18

第一作者简介：王应，男，1981年生，工程师。