航天增材制造技术标准体系探索

李林凌 张啸雨 余晨帆 谭沧海

（北京空间飞行器总体设计部，北京，100094）

引言

被誉为“第三次工业革命”的增材制造经过近40 年的发展，在航空、航天、汽车、船舶、核工业、医疗等领域均有应用。增材制造（又称3D 打印）是基于“分层切片＋逐层堆积”的思想，采用离散材料逐层累加原理制造实体零件，相对于传统的减材制造和等材制造，增材制造技术将三维实体加工变为若干二维平面加工，大大降低了制造的复杂度[1-3]。这种技术不受零件形状和结构的约束，具有数字化、智能化的特点，是未来产业发展新的增长点。近年来，我国在增材制造技术研发和产业化方面形成了一定的基础和优势，部分应用领域实现了技术突破[4]。但是，由于相关技术标准的缺失，未能及时、高效架起增材制造技术与其产品产业化衔接的桥梁，增材制造的优越性没有转化为抢占市场的优势和提高产品核心竞争力的优势[5-6]，减缓了航天新研、高性能产品产业化进程。因此，航天增材制造技术标准体系的建立显得尤为必要和迫切。

1 增材制造业现状

增材制造技术经过近40 年的发展已渐趋成熟，全球增材制造产业规模逐年扩大。近年来，为了发展先进制造业、抢占科技创新制高点，推进增材制造技术研究和产业化应用，美国、德国、日本等世界工业强国，纷纷制定了发展增材制造的国家战略和具体推动措施。美国增材制造技术咨询服务协会（Wohlers）2017 年的报告显示，美国以36.8%的份额遥遥领先世界其他国家，中国、日本和德国占据第二梯队[7]。

在增材制造各项因素中，3D 打印材料的地位逐渐提高。3D 打印材料在3D 打印业务中的市场规模占比约24.1%。2016 年～2019 年，全球3D 打印材料市场规模逐年上升，2020 年全球3D打印材料市场销售规模约36 亿美元。

在政策的引领和市场的驱动下，我国增材制造产业迅速发展，关键技术不断突破，在航空、航天、汽车、船舶、核工业、医疗等领域均有广泛应用，尤其在航空、航天领域应用比例占18%以上。2017 年～2020 年，我国3D 打印产业规模逐年增加，增加速度略快于全球整体增速，全球占比在不断增加。根据2020 年3 月赛迪顾问发布的 《2019年全球及中国3D 打印行业数据》，2019 年中国3D打印产业规模为157.5 亿元，较上年增加31.1%。

随着增材制造技术的成熟和产业的迅速发展，增材制造产品的质量得到了提升，产品成本逐步降低，其应用正在从原型制造、样件制造向更大规模的零部件制造方向发展。

2 国外增材制造标准体系现状及趋势

目前，国际上开展增材制造标准化工作的组织主要是国际标准化组织（ISO/TC 261）和美国材料与实验协会（ASTM F42）。ISO/TC 261 成立于2011 年，目前有14 个成员国和6 个观察员国。ASTM F42 成立于2009 年，目前该委员会包括来自10 个国家的100 多个成员单位。以上2 个组织在增材制造技术标准制定方面进行了深度合作。2012 年，美国国家标准技术研究院（NIST）提出了增材制造技术标准战略规划，确定了增材制造技术标准体系框架结构、标准规划任务、优先完善内容等，以提高标准的整体性和易用性，实现ASTM F42 影响的最大化，避免标准的重复与矛盾[8]。

2015 年，ISO/TC 261 与ASTM F42 达成初步的标准工作框架协定，将增材制造技术标准体系框架分为3 个层次。

a）通用标准制定，即最高级基础标准，包括术语、测试方法、设计与数据等方面；

b）装备分类、零件技术指标等标准制定，即第二级分类标准；

c）具体材料、工艺和应用方面的标准等，即第三级专用标准。

ISO 和ASTM 联手制定的3D 打印标准发展体系，为3D 打印企业和机构提供一个全面的技术标准框架，其主要作用有以下几个方面。

a）展示3D 打印相关行业内的现状，指引3D 工业专家和标准机构；

b）避免专家和机构重复工作，建立标准中心；

c）优先考虑最需要标准化的领域，凝聚各方力量；

d）增强3D 打印技术的易用性，激励3D 应用领域。

2018 年在美国国防部的资助下，美国国家增材制造创新研究所和国家标准协会合作发布了增材制造标准化路线图2.0 版本，概述了增材制造标准化的当前现状，列出了93 个行业标准的缺口，并将其中18 个缺口确定为高优先级缺口。ISO/ASTM 已正式发布标准见表1[9]。

国际增材制造标准化呈现出“高度统一”的特点，即：标准体系高度统一（遵照同一套标准体系）、标准内容高度统一（制定同一套标准）、开展标准化工作的专家队伍构成高度统一（同一批欧美专家以及部分亚洲专家）。在大力发展增材制造技术并推进其发展的同时，也在积极开展增材制造标准化创建工作。

3 我国增材制造标准体系现状及趋势

我国于2002 年开始开展增材制造产业标准化制定的相关工作，依托全国特种加工机床标准化技术委员会，主要针对快速成形机床产品制定了近10 项国家标准及行业标准。但内容较单一，标准没有涉及关键共性技术、设计、工艺和方法、检验与测试等方面的需求，很难全面反映国内现有增材制造技术的研究水平。随着国家出台各项政策支持增材制造的产业化发展，对标准化工作也提出了要求。《增材制造产业发展推进计划（2015—2016 年）》明确提出要建立和完善产业标准体系，增材制造作为智能制造的核心技术，也是 《国家标准化体系建设发展规划（2016—2020 年）》中的重要工作内容。

2014 年7 月，国家标准化管理委员会批准机械科学研究总院中机生产力促进中心作为国际标准化组织ISO/TC 261 的国内技术对口单位，并推动我国成为ISO/TC 261 的参与成员国（Participating Member）。2016 年，全国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC 562）正式成立，主要负责制修订相关行业的国家标准[10]，包括增材制造术语和定义、工艺方法、测试方法、质量评价、软件系统及相关技术服务等方面。

根据我国增材制造产业构成，从技术维度、保障维度及应用领域维度，探索以通用基础、增材制造软件、材料、成形工艺、系统及部件、设备、成形件、检测评估、技术服务共9 大部分组成的增材制造产业综合标准化技术体系框架，每部分由若干个不同的标准子体系构成。其中，增材制造成形件标准子体系主要包括面向工业制造、生物医疗、航空航天、消费文化等领域制造的成形件标准。目前，我国已发布及正在制修订中的增材制造标准共有国家标准13 项，行业标准4 项（机械行业标准）。

目前航空、航天领域增材制造产品占我国增材制造产品的18%以上，航天增材制造产品需求持续增长。2019 年，由我国研制的世界首颗基于三维点阵结构商业星在轨成功飞行验证，然而，航天领域的增材制造行业标准还是空白。因此，加快航天领域增材制造技术标准体系建设迫在眉睫。

4 建设我国航天领域增材制造标准体系

4.1 国内增材制造标准体系建设

增材制造是一种融合多种技术的制造方式，涉及设计、工艺、材料、设备、后处理、检验检测、产品质量安全到服务等多角度全产业链。目前，国内增材制造技术标准体系一方面借鉴国外增材制造技术标准体系经验，另一方面根据我国增材制造的巨大需求，从实践上、理论上不断完善增材制造技术标准体系。

a）借鉴国外标准体系经验

ISO/TC 261 下设4 个工作组：术语、方法/工艺和材料、试验方法、数据和设计[11]。ASTM F42 下设4 个分技术委员会：试验方法、设计/材料、工艺/术语、战略规划（不以标准制修订为主要业务）。遵循3 层次增材制造标准体系框架，从基础通用、工艺、材料、试验方法、设计方法和设备标准6 大类开展标准化建设。我国的增材制技术标准体系基本上按照3 层次增材制造标准体系框架开展建设工作。

b）不断完善标准体系

增材制造技术在我国的发展得益于政策的引领和市场的驱动。目前，增材制造的关键技术不断得到突破，增材制造技术的各个环节不断得到检验，初步形成独具特色的“增材制造服务”状态：从采购增材制造设备、材料到直接购买全方位的增材制造服务，即服务企业接到增材制造服务需求后，服务企业根据需求就可以加工出所需的零件或产品。

国内增材制造技术标准体系的建立也参考ISO 和ASTM 联手制定的3D 打印标准发展体系。在不同领域的增材制造实践的基础上不断完善建立相应领域的增材制造技术标准体系，部分增材制造技术的环节还需要理论上的深入研究，促进增材制造技术标准体系完善和实际应用[12]。

4.2 国内航天领域增材制造标准体系建设

结合增材制造技术国际标准化技术体系的研究情况，建立我国的增材制造技术标准体系遵循了以下3 个原则。

a）目标导向原则：以规范产业发展、促进技术进步、利于专业交流为导向，利用综合标准化的思想建立标准体系。

b）系统分析原则：从全产业链、全价值链、全技术体系等维度开展分析，形成综合性的标准系统，以满足产业发展、技术进步的需求。

c）整体优化原则：以整个产业的最优配置协调上、中、下游的标准化需求，合理统一规划，避免重复不匹配等问题。

航天增材制造产品具有以下特点：①产品的轻量化要求高；②产品研制进度要求快；③产品特殊外形需求多；④内部空腔结构多余物（金属粉末）控制要求严格；⑤零件内部质量控制要求高（不能有潜在缺陷）；⑥产品形状精度控制要求高；⑦产品数量少。这些特点，部分与增材制造的优势相匹配，如产品轻量化、研制进度快、特殊外形、个性化产品等；部分与增材制造自身的工艺、后处理、检验评估等不匹配，如产品内部空腔多余物不好控制、零件内部质量不便于检验等。因此，有必要针对航天产品的行业特点需求，遵循目标导向、系统分析、整体优化原则，在软件及数据处理、设计、材料、工艺、设备、系统及部件、后处理、检验评估、技术服务等环节，规范航天领域增材制造全流程业务，提高增材制造航天产品质量，提升航天领域增材制造产品竞争力，抢占航天领域增材制造国际标准制高点。

从我国增材制造产业发展的状况来看，在政策的引领和市场的驱动下，我国增材制造产业发展迅速，领域渗透广泛。航天增材制造技术标准体系建设同样需要政府引领和市场的驱动。有了政府的引导，便于目标导向、系统分析和整体优化的实现；在市场的驱动下，工业研制部门结合增材制造的优点，参考原研制方法的工艺过程，制定出新型加工方式的工艺方法、检测方法、评价方法等，做到既要释放新型加工方式的优越性，又要保障新型加工方式的稳定可持续发展。

在标准系统建设中，由有义务、有基础、有能力的标准化科研院所、高校、企业等单位牵头开展航天领域增材指标标准化体系建设工作。参与航天领域增材制造的各单位从全产业链、全价值链、全技术体系等维度自发完善航天领域增材制造技术标准体系。

5 结束语

航天领域增材制造产品需求持续增长，基于航天增材制造产品的特点和宇航级产品品质需求建立航天领域增材制造技术标准体系已经迫在眉睫，借助我国初步建立的增材制造技术标准体系，致力于提升航天产品的竞争力。

结合航天增材制造产品的特点，以增材制造工业研制部门为龙头，梳理航天领域增材制造技术各个环节，研究制约增材制造技术发展的相关理论，在增材制造实践过程中不断完善设计、工艺、后处理、检验等环节，汇聚标准化科研院所、高校、企业、产业联盟和学协会等各方力量。通过构建航天领域增材制造标准体系，促进航天领域增材制造技术和产业发展，实现航天增材制造技术成果的累积、固化和推广应用，为航天领域快速、高性能制造提供技术支撑。

航天是当今世界科技强国竞相发展的重点方向之一，其发展离不开兼具轻量化、难加工、高性能、高精度等特征的宇航产品。增材制造为宇航产品设计与制造开辟了新的工艺途径，可应对航天领域发展过程中对材料、结构、工艺、性能及应用等提出的新挑战。唯有吸收国内外增材制造技术体系建立的经验，凝聚各行业领域力量，才能建立体系完备、可执行度高的航天领域增材制造技术标准体系。