增材制造国内外标准发展及石油装备标准化工作建议

摘 要：增材制造（AM）作为一种改变传统制造理念和模式的创新技术，已成为引领科技创新和产业变革的关键技术之一，因而，在航空航天、医疗、机械制造等行业中被逐步广泛应用，但在石油行业的研究和应用相对滞后。为推动增材制造在石油工业中的应用，本文跟踪分析了国内外增材制造领域标准的最新进展，对石油装备增材制造标准化发展提出了建议。为促进增材制造技术在石油装备制造领域的应用，标准化工作应先行，在现有国家和ISO标准基础上尽快建立石油装备材料增材制造标准体系，找到产品应用突破口，借鉴国外先进增材制造标准，制定相应的产品技术要求和质量检验与认证认可标准，并要做好与现有标准、规范的衔接。

关键词：增材制造（AM），石油装备，标准化

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.09.005

0 引 言

增材制造（AM）又称“3D打印”，是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。作为一种改变传统制造理念和模式的创新技术，其已成为引领科技创新和产业变革的关键技术之一，是制造业转型升级、提质增效的重要驱动力[1]。AM的特点是无需模具、可快速成型、可制造复杂的几何构型，具有材料制备过程与零件成形过程一体化的特征，在原材料利用率、制造自由度、功能性最优设计等方面具有明显优势，尤其适用于小批量、定制化、复杂结构的加工制造，因而，在航空航天、医疗、机械制造等行业被逐步广泛应用[2-3]。

AM作为新兴产业，发展非常迅速，随着其产业及技术的不断发展，面临的标准化问题日益凸显，严重制约了AM产业技术成果的累积、固化和推广应用[1]。欧美等先进国家投入大量精力开展AM技术研究和标准制定，我国也将其作为先进制造技术列入国家发展规划。AM技术在国外经过长期发展，已经形成了比较完整的研发、生产、销售、应用全产业链体系，并且与之相关的标准也比较完善和先进[2]。

标准、规范及相关最佳做法是AM生产过程中不可或缺的一部分，是推动AM技术应用的关键因素。特别是在石油和天然气等高度监管的行业，由于缺乏标准、认证和最佳做法，AM的应用受到阻碍[4]。目前，没有特定的石油和天然气AM行业标准来定义该领域使用的金属部件的认证过程，没有标准或指南会增加产品/组件不符合最低要求的风险[5]。因此，标准制定是AM技术在石油工业大规模应用的关键推动因素[4]。

为推动AM技术在石油工业中的应用，本文在跟踪分析国内外AM领域的标准化最新发展的基础上，对石油装备AM的标准化发展提出建议。

1 国外增材制造标准发展

1.1 ISO

通过标准化支撑和引领金属AM产业发展已成为国际共识，国际标准化组织（ISO）于2011年创建ISO/TC 261增材制造标准化技术委员会，并于当年就与ASTM F42签署合作协议，共同开展AM技术领域的标准化工作。2013年，ISO/TC 261与ASTM F42共同发布了一份“增材制造标准制定联合计划”。该计划包含了AM标准的通用结构/层次结构，以实现由任何一方所发起的项目都能实现一致性。2016年，ISO/TC 261、ASTM F42以及欧洲标准委员会CEN/TC 438进行了充分合作。国际AM标准化的发展趋势是ISO、ASTM、CEN（欧洲标准化委员会）共同合作制定统一的国际标准架构、路线图和标准[1， 6 - 8]。国际AM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）[1，9]。

自2004年第一部增材制造ISO标准发布以来，截至2023年11月，ISO已制定发布了56项、正在制定25项AM领域的标准，其中2021—2023年新发布的AM相关标准有28项（见表1），仅在2023年就发布标准19项。这些数据表明，ISO增材制造的标准有加快的趋势。

1.2 美国

（1）SAE

美国汽车工程师学会（SAE），是美国及世界汽车工业（包括航空和海洋）有重要影响力的学术团体，也是世界上汽车、海洋和航空/航天运输机械技术信息的资源之一。早在2002年2月，美国汽车工程师协会（SAE）针对Ti-6Al-4V合金激光近成型制品的需求，发布了世界上第一项增材制造技术标准SAE AMS 4999-2002《退火Ti-6Al-4V钛合金激光沉积产品》[2]。

鉴于增材制造技术近年来迅猛发展的势头，SAE International于2015年成立了AMS-AM增材制造委员会，负责编制和维护与增材制造相关的航空航天材料和工艺规范標准以及相关的技术报告，并得到联邦航空管理局的任务函，以协助监管机构制定增材制造认证指导材料，将继续制定金属和聚合物的AMS规范，以支持航空航天的行业需求[2]。截至2023年12月，SAE已经发布及正在制定增材制造方面标准30余项，其中近四年来制修订的标准16项。

（2）ASTM

美国材料试验协会（ASTM）于2009年成立了专门的增材制造技术委员会ASTM F42，是最早成立的增材制造技术委员会的标准化协会组织。其主要目标是制定增材制造材料、产品、系统和服务等领域的特性和性能标准、试验方法和程序标准，促进增材制造技术推广与产业发展。2012年，ASTM F42发布了F2792-12a《增材制造术语》标准，并于2015年与ISO合作对该标准进行了修订，发布了第一份ISO/ASTM联合标准，对增材制造技术推广及产业发展中的术语与定义进行了规范。之后，ASTM与ISO联合制修订了多项增材制造标准[2，6-7]。

A S TM致力于完善增材制造标准体系，截至2023年12月，ASTM共颁布了19项标准。2020年以来，修订了3项标准：ASTM F3049-14（2021）《用于增材制造的金属粉末表征属性的标准指南》、ASTM F3055-14a（2021）《粉末床熔融增材制造镍合金（UNS N07718）的标准规范》、ASTM F3056-14（2 0 21）《粉末床熔融增材制造镍合金（U N SN06625）的标准规范》。

（3）ASME

美国机械工程师协会（A SM E）成立于18 8 0年，是世界上建立最早的机械工程学术团体。目前ASME拥有工业和制造行业的600项标准和规范，这些标准和规范已被全球90多个国家采用。ASMEY14第4 6分委员会成立的目的是为增材制造开发和标准化提供统一的产品定义（主要是设计和开发）。ASME发布了2项增材制造领域的标准[4]：ASME Y14.46-2022《增材制造的产品定义》，标准涵盖了增材制造技术特有的术语定义和特征，并在产品定义数据集和相关文件中对其统一规范提出了建议。

ASME P TB-13-2021《采用增材制造的承压金属部件》，属于压力（容器）技术手册（PTB），涉及采用激光和电子束能量源的AM粉末床熔融工艺（PBF）建造承压部件，也允许将AM部件连接（焊接或钎焊）到非AM部件形成混合结构。

（4）AWS

美国焊接协会（AWS）成立于1919年，在全球范围内推进焊接和相关连接和切割工艺的科学、技术和应用。AWS只发布了一项增材制造领域的标准：AWS D20.1/D20.1M：2019《增材制造金属构件规范》[4]。该规范规定了使用增材制造金属部件的一般要求，包括增材制造部件的设计、鉴定、制造、检验和验收。

（5）API

美国石油学会（API）成立于1919年，是石油和天然气行业建立、维护和分发共识标准的全球领导者，已经制定了800多项标准，被石油行业普遍采用。API发布了2项增材制造领域的标准：API STD 20S：2021《用于石油和天然气工业的增材制造金属部件》，规定了石油和天然气行业中使用的增材制造金属部件的制造工艺、生产、标记和文档的评定要求，适用于通过粉末床熔融（PBF）、定向能量沉积（DED）和黏结剂喷射（BJT）工艺生产的增材制造金属部件。

API STD 20T：2022《用于石油和天然气的增材制造聚合物基组件》，规定了石油和天然气行业中使用的增材制造聚合物基组件的制造工艺、生产、标记和文档的评定要求，适用于通过材料挤出（FFF、FDM、FGF）和粉末床熔融（SLS、MJF）生产的增材制造聚合物基组件（包括复合材料）。

1.3 德国

2020年7月，德国材料学会（DESY）发布了增材制造通用术语。2021年6月，德国金属材料学会（DFM）发布了一项增材制造技术规范草案，包含增材制造零件的分类和尺寸、增材制造过程的一般要求、材料应用和尺寸偏差等内容。此外，德国金属材料学会（DFM）还发布了增材制造技术标准：《金属材料增材制造》《增材制造产品的技术条件》。欧洲焊接联合会发布了国际增材制造人员职业资格培训与认证制度。

德国标准化协会（DI N）与德国工程师协会（VDI）针对于增材制造技术的发展与应用制定了相应的标准共计21项，2020年以来发布8项。

1.4 挪威

挪威船级社（DNV）成立于1864年，是一家全球领先的专业风险管理服务机构。DNV为客户提供全面的风险管理和各类评估认证服务，主要涉及船级服务、认证服务、技术服务等方面，在海事、石油天然气、能源以及食品和保健领域奠定了全球领先地位。DNV制定的增材制造标准见表2，内容主要涉及材料、方法、设备、人员等方面的资格评定。

1.5 英国

英国一直是全球3D打印技术研究与应用的引领者，在增材制造标准制定方面，英国政府也非常重视。2015年英国政府发布了《3D打印技术研究与应用的监管框架》，2019年发布了《增材制造产品和服务监管框架》，明确了3D打印产品、服务及相关设备的分类要求，建立了产品质量要求、安全要求等行业标准，还包含了增材制造技术监管要求和政府采购监管要求。英国标准研究院（BSI）采用ISO、ISO/ASTM、ISO/IEC发布的增材制造标准，编号前面加BS EN，如BS EN ISO/ASTM 52900， 2022。BSI自行发布的增材制造标准有3项，正在制定过程有1项。

1.6 日本

日本政府和产业界都非常重视增材制造技术的开发和应用。日本标准协会、日本工业联合会、日本机械工业技术协会、日本金属加工技术协会等组织也积极开展增材制造技术的研究和标准制定。日本标准协会（JSA）发布的增材制造标准只有1项：JSA JIS B 9441 Revision 20J， March 23， 2020《增材制造-總原则-术语和基本概念》。

2 国内增材制造标准发展

2.1 国家标准

我国于2002年开始增材制造产业标准化的相关工作，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、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。2010年以来，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。《“十四五”智能制造发展规划》《增材制造标准领航行动计划（2020－2022年）》等，对智能制造、增材制造标准化提出了新要求。2016年，全国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC 562）正式成立，对口的国际标准化组织是ISOTC 216，在国家层面上开展增材制造标准化工作，主要负责制修订相关行业的国家标准，进一步规范中国3D打印市场产品及服务标准[10]。

我国增材制造标准制修订发展很快。截至2023年底，我国已发布增材制造的国家标准61项，正在制定/计划制定的标准有28项，2021年以来制修订的标准有22项（见表3）。发布的标准数量已超过ISO标准数量，推动了增材制造技术的发展。

2.2 行业和地方标准

增材制造是一种工艺先进、智能化程度高、方法灵活的新兴的制造技术，在航空航天、机械制造、医疗、核工业、石油、化工等行业具有良好的应用前景，相关行业和地方已开展标准体系研究和标准制定工作[1，11-12]。据不完全统计，截至2023年12月，我国相关行业和地方发布的增材制造标准有32项，其中近四年制定的有16项。

2.3 团体标准

团体标准是我国市场主导制定标准的主要构成，是由团体按照自行规定的标准程序制定并发布，供团体成员或社会自愿采用的标准。自2018年《中国人民共和国标准化法》修订以来，我国团体标准发展迅速。国家标准化管理委员会等六部门联合印发的《增材制造标准领航行动计划（2020—2022年）》管理针对具体技术和产品制定具有引领性、竞争性的团体标准，增材制造团体标准得到了快速发展[13]。根据国家标准信息公共服务平台上备案信息，共有41家机构发布增材制造行业团体标准共计185项，其中4项以上的有8家（见表4）。

2.4 企业标准

我国有许多增材制造企业类企业，制定了数量众多的增材制造（3D打印）企业标准，许多已在国家标准化管理委员会备案，详细信息可在国家标准信息公共服务平台上查询。

3 石油装备增材制造标准化建议

增材制造技术是一种颠覆性的金属零部件智能制造工艺方法，它可以改变构件结构、改变材料、改变重大装备的制造模式。相关机构开展了增材技术在高压油气管道上应用技术研究，表明AM的三通管件在定制化、特殊环境和特殊用途工况情况下，具有良好的推广和应用前景[14]。AM正在彻底改变包括石油和天然气行业在内的多个行业的设计、制造和供应链概念。随着越来越多的金属AM组件在石油和天然气行业中投入使用，对制造和质量要求及控制的标准或指南的需求正在增长[5]。

国内外AM标准发展很快，尤其是近年来，随着技术的不断成熟和应用的不断推广，标准发布数量呈现快速增长的趋势。AM标准的现状和发展对于推动AM技术的应用和发展具有重要意义。通过制定统一的标准，可以提高AM产品的质量和可靠性，降低制造成本，促进AM技术在各个领域的广泛应用。未来，随着技术的不断进步和标准的不断完善，AM将为制造业带来更多的机遇和挑战。

石油装备是石油工业的重要组成部分，对于保障国家能源安全和经济发展具有重要意义。然而，传统的石油装备制造存在着生产周期长、成本高、灵活性差等问题，无法满足快速变化的市场需求。石油装备面临高温、高压、高腐蚀等服役工况，材料种类繁多，包括金属和非金属材料，但以金属材料的AM为主。而AM可以通过逐层堆积材料来制造复杂形状的零部件，具有快速、灵活、高效的特点，可以为石油装备制造带来革命性的变革。然而，由于相关技术和标准不够完善，导致AM的发展也面临诸多挑战。目前，AM技术在石油装备领域的应用尚处于起步阶段，还未形成规模化、标准化和产业化发展，存在一定的不确定性。AM作为一种新型的智能制造技术，已在航空、航天、医疗、汽车、船舶等行业得到广泛应用，但在石油行业中的研究和应用相对滞后，未来为了促进AM技术在石油装备材料行业的应用，标准化工作应先行，建议：

（1）尽快建立石油装备材料AM标准体系，分为几个层次：1）基础标准，主要采用现有的ISO和国家标准；2）方法、工艺、材料标准，以采用现有的ISO、国家和行业、团体标准为主，结合特点，补充制定相关标准；3）制定行业专有的标准，主要围绕行业使用特点和环境要求，制定产品、检验、认证等标准。

（2）找到产品应用突破口，技术要可靠，性能和质量要稳定，借鉴国外先进AM标准，制定相应的产品技术要求和质量检验与认证认可标准，在行业应用中取得经济效益和示范效果。

（3）要做好与现有标准、规范的衔接，现有的设计规范、产品标准，其零部件允许采用AM方法，给出性能技术和质量检测要求，这样才能突破AM产品应用的障碍，使设计、制造、检验和应用有标准可依，做到合规使用。

4 结 语

增材制造（AM）作为一种改变传统制造理念和模式的创新技术，已成为引领科技创新和产业变革的关键技术之一，因而，在航空航天、医疗、机械制造等领域被广泛应用。随着AM技术在工业中推广应用，迫切需要标准化来确保其产品质量的一致性和可靠性。标准是AM生产过程中不可或缺的一部分，是推动AM技术应用的关键因素。特别是在石油和天然气等高度监管的行业，由于缺乏标准，AM的应用受到阻碍。为促进增材制造技术在石油装备制造领域的应用，标准化工作应先行，在现有国家和ISO标准基础上尽快建立石油装备材料增材制造标准体系，找到产品应用突破口，借鉴国外先进增材制造标准，制定相应的产品技术要求和质量检验与认证认可标准，并要做好与现有标准、规范的衔接。

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作者简介

李为卫，正高级工程师，主要从事油气输送管道材料研究及标准化工作。

（责任编辑：袁文静）