【标准解析】增材制造标准分类与解析，你想知道的都在这！

作者：栗晓飞
来源： 融融生态圈

很多人反映，面对这共计约230多项国外增材制造标准，让人眼花缭乱，很困难找到自己需要的标准。今天，就带您将这些标准分一下类，让大家对于这么多增材制造标准有一个初步的概念与理解。

首先，将这230多项标准查重（主要是ASTM与ISO联合制定或发布的标准），最后发现共计有206项已发布及在制定标准，其中已发布92项，在制定115项。然后我们针对现有这些标准进行分类，见图1。这里必须明确，图1不是标准体系，有关标准体系的问题，在后续的【标准体系】为大家阐述。

图1 国外增材制造标准一览表

下面，我们将按一览表逐类对标准进行说明。

术语定义
术语定义标准通常情况代表着一种技术从实验室阶段开始进入商业化应用，从事该领域的技术人员需要在信息表达、学术交流及商业活动中使用统一规范的语言，并且这种语言应该是科学、准确、无歧义的。国外现有的术语标准包括了ISO/ASTM 52900-2015、VDI 3405两份，同时 ISO/ASTM 52900也正在进行修订，进一步补充、完善增材制造领域的相关术语。术语标准中定义的是通用、一般场合下的词汇定义，在特定行业领域或特定环境中，某些词汇会有其特定的含义，这类术语的表述则应该在具体标准中的术语定义章节进行规定。

设计
设计类标准主要是指产品设计人员直接使用的、最终形成的以及在初始技术选用时所需要参考或执行的相关标准。当然这里的设计标准是顶层通用的标准，并不是企业内部针对具体零件所形成的设计规范，并且在设计时所需引用并明确的测试方法、材料规范及工艺规范等包含在后续的框架中，这里不再讨论。

• 产品定义——属于产品数字化设计的一部分。针对于增材制造产品，其数字化设计流程是在传统产品数字化设计流程的基础上改进，因此这里仅包含了增材制造特有的数字化产品模型标注的标准。该标准从增材制造产品标注的辅助集合、产品与工艺定义、产品数据包等方面进行了规定，可用于统一规范设计、制造和检测中相关的AM详细信息。
  

• 设计选用——在传统制造技术与增材制造技术之间选择的通用流程与要求。该部分中目前包括了选用流程与要求、进行选用决策的指南，为综合考虑增材制造技术的优势、选用增材制造开展相关工作提供的指导与依据。
  

• 设计指南——提供各类增材制造的工艺优势与约束以及典型的特征结构推荐。设计指南类标准重点是用于推广增材制造技术，让更多用户理解并明确如何采用更合适的增材制造工艺，并指导用户产品设计中规避由于工艺约束所导致的不良设计结构。
  

• 数据文件——主要用于规范增材制造特有的数据格式、数据处理流程与要求以及随零件交付的数据包等相关要求。通过这些标准，可以促进更适用于增材制造的3MF及AMF数据格式的推广与应用，减少数据在整个流程处理中所产生的丢失或损坏现象，形成更加优化、完整的数据流。同时，详尽的数据包信息可以更加有利于增材制造零件后期的使用、维护与保障。
  

原材料
原材料相关标准主要用于原材料的采购与验收、质量控制、原材料技术指标项的选取及推荐测试方法，其具体指标项目的检测可采用通用测试技术或在检测技术标准中的专用测试技术。

• 原材料规范——用于供需双方的采购与验收。这是一类最常见也最为国内技术人员了解的标准，但同时也是目前经常容易出现问题的一类标准。对于原材料规范的内涵千万不能与原材料鉴定相混淆，导致了标准适用范围出现偏差。需要注意，国外原材料规范针对的标准化对象与国内是存在差异的。国外以单一牌号为标准化对象，通过区分不同的粒度及粒度分布，可适用于多类增材制造工艺；而国内通常习惯以一类工艺所用的一类材料为标准化对象，标准中多个牌号采用相对统一的粒度及粒度分布。因此，在参考国外标准时，需要注意相关的要求。事无对错，只要供需双方习惯即可。
  

• 生产过程控制——在对质量要求严苛的高端装备领域（例如，航空航天，尤其是民用飞机与发动机领域），对于产品质量的一致性、稳定性及可追溯性具有严格的要求，这就需要对于原材料生产过程进行控制，建立相应的过程控制文件（PCD）等相关文件。生产过程控制类标准就是用于指导建立过程控制文件而使用的。目前，AMS 7002A版正在修订中，有需要的可以进一步关注。
  

• 性能表征——主要用于明确针对增材制造用原材料所需的技术指标项目的选取，并给出推荐的测试方法，目前主要包括金属粉末原材料以及FDM成形用丝材两类。这类标准一般不直接用于粉末的指标确定与检测，而是间接指导相关技术人员对于指标及检测方法的选取。
  

• 原材料分级——目前的产业现状是，每一家对于金属粉末原材料的要求都各不相同，例如：有0-53μm的、有15-53μm的、有15-65μm的，还有更多不同的粒度及粒度分布的要求。在原材料分级标准中，目前的做法是将这些粒度及粒度分布用统一的规则进行表述。
  

工艺
工艺类标准主要包括了现有工艺的分类、设备的要求及验收检验以及各个工艺的过程控制要求等。需要明确，工艺标准不是传统意义上企业用的工艺规范，而是指导企业根据每类工艺的关键工艺参数指定工艺规范、从而实现过程控制的标准。

• 工艺基础——目前主要包括工艺分类，工艺设备的要求及验收检验标准，为整个工艺实施提供基础性保障。
  

• 工艺过程控制——阅读过“【标准动态】SAE增材制造标准概述”一文的朋友一定会有所了解，SAE制定的工艺规范其关键的目的就是建立过程控制文件（PCD），形成定型工艺，从而建立材料规范中的组批验收值。目前几乎所有的标准化组织（例如，ISO、ASTM、AWS、VDI、DIN等）制定的工艺标准都是基于这样的目的，标准涉及了大部分工业应用的增材制造技术。
  

• 后处理——目前的后处理标准都是涉及金属制件产品的，包括了热处理、热等静压、电化学抛光等方面，类似于工艺过程控制标准，这后处理标准中主要以每类后处理工艺过程控制要求为主，同时也会针对每个牌号的材料给出推荐的工艺参数与制度。
  

成形制件及产品
成形制件及产品标准主要包括了增材制造产品的采购要求、性能规范、研制验证、分级分类以及性能数据等相关标准。

• 采购要求——主要用于规定客户与零件供应商在订购时所需明确的技术要素的指导原则，包括客户订购信息、零件定义数据、原料要求、最终零件特征和性能、检验要求和零件验收方法，以避免在客户采购零件时与供方发生不必要的纠纷。
  

• 性能规范——增材制造技术将原材料（粉末、液体或丝材）直接成形为结构毛坯或产品，是一类带有结构的特殊材料制品，因此目前很多规范并非是针对最终零件的产品规范，而是规定这类材料制品性能的性能规范。在SAE标准中，相对应的就是材料规范，在标准中主要规定化学成分、显微组织、力学性能、热处理及无损检验等要求。而在ASTM标准中，一般称之为某某合金规范或增材制造规范，规定内容上则扩展了对于原材料及制造过程的规定。
  

• 研制验证——主要包括产品研制的流程、零件验证指南以及针对于成形特征的统计验证要求。研制流程与成形零件的验证是规范、统一增材制造技术在各型号产品研制中的基础，本框架下的标准可以为用户单位开展增材制造产品研制及验证提供指导。同时，增材制造会涉及很多种类、新的结构特征，并存在不同结构特征、不同性能及质量要求的情况，目前VDI计划开展相关标准的研究与制定工作，可以为增材制造产品研制及验证提供更有意义的借鉴与参考。
  

• 分级分类——针对增材制造在各行业领域的应用，零件的质量等级分类越来越受到各类用户的关注，直接关系到产品研制、生产及检测评估中对于材料及制件鉴定、质量控制、缺陷阈值等要求的界定。目前，VDI、ASTM、ISO等都已开展了相关标准的研究与编制。
  

• 性能数据——性能数据标准主要包括两大类，性能数据提交指南及性能数据表。前者是SAE针对于后续制定的AMS标准中所提交性能数据的基本的规范性要求，以保证数据具有统计性与可参考价值。后者是VDI针对于同一牌号金属材料实际性能测量数据给出的性能数据区间，形成数据统计表格，供所有用户参考，了解行业内的普遍技术水平。
  

检测技术
检测技术标准一直以来都受到各方的广泛关注，以现有情况来看，主要包括了测试基础、测试指南、测试方法、检测评估及试样制备等标准。

• 测试基础——主要包括针对增材制造的技术特点（例如，强设计相关特点、零件对于在成形空间内的取向及位置的相关性）、力学性能裕度选择的差异以及实验室之间的数据共享与比对等需求而开展的标准化工作，对于增材制造产品的最终型号应用具有重要价值与意义。
  

• 测试指南——主要包括采用常规测试方法进行增材制造测试的指导性建议以及针对于增材制造产品特点的专用测试技术指南，指导用户采用更适合的方法对增材制造材料性能开展测试与表征。其中，指导性建议主要包括了机械性能、物理性能、无损检测以及在线监测等标准，专用方法主要指在增材制造零件中人工植入缺陷的方法，覆盖金属材料、聚合物材料、砂型及陶瓷材料等。
  

• 测试方法——主要针对于粉末表征及点阵结构的表征需求，开展了采用FT4特殊设备进行粉末流动性表征方法以及采用数字图像相关（DIC）技术开展的有序胞元等效拉伸、压缩及剪切性能测试方法的标准研究与制定。
  

• 测试评估——主要包括了对于增材制造系统能力、后处理及工业生产厂所开展的评估技术及鉴定检验方面的指导性建议，用于对相应环节的软硬件技术能力开展评估及鉴定。
  

• 试样制备——目前仅有针对于聚合物激光粉末床熔融技术的试样制备标准，后续ISO与ASTM会联合开展金属材料的试样制备标准的研究与制定。
  

鉴定与认证
鉴定与认证类标准主要包括了针对增材制造生产中的人、机、料、法、环、供等方面鉴定与认证需求所制定的标准。其中，在人员方面主要针对PBF-LB、PBF-EB、DED-LB以及DED-Arc等四大类技术操作人员，特别是定义了一类新的技术人员，即生产协同员（production coordinator）的鉴定标准；在设备方面重点包括了设备的安装、操作及性能的合格鉴定；在材料方面涉及了原材料及成形材料的鉴定与批准；在方法方面包括工艺控制与鉴定准则；在环境方面主要对增材制造厂所开展鉴定标准制定；在供应商方面则主要指PRI制定的供应商审核准则标准。

环境健康与安全
在环境健康与安全方面，目前主要有ISO、ASTM、VDI及UL等相关组织开展标准的研究与制定。标准主要包括风险等级及安全防护指南顶层指导、增材制造场地设施安全审核、金属与聚合物增材制造设备用户操作安全管理、金属粉末的安全使用、非工业区域公共环境下材料挤出式3D打印机有害物质排放要求及检测等方面的标准，从安全管理要求、测试方法等方面建立环境健康与安全标准体系。

修理
在增材制造修理方面，目前仅发布了1项标准MIL-STD-3049，规范了将定向能量沉积（DED）技术用于再制造、尺寸修复及涂层重涂覆的研制流程性要求。SAE成立的AMS-AM-R技术委员会正在针对于增材制造修理技术开展标准化工作，目前已初步形成标准体系架构，参考了增材制造直接成形标准体系架构，重点关注修理技术流程、不同层次的各类规范、修理后的机械性能与评估、工艺稳定性及检测等系列问题。后续该技术委员会将从上述几方面开始着手相关标准的研究与编制。

医疗
增材制造在医疗领域的应用广泛，需求也非常迫切。这里仅列出了ASTM针对于医疗领域制定的相关标准。在医疗方面，ASTM重点关注了医用粉末床熔融工艺粉末循环再利用以及复杂结构中残余物去除的评估方面，同时对于医疗设备增材制造工艺过程确认也开展了指南的编制，用于指导、推动增材制造在医疗领域的应用。在性能规范的编制方面，正在编制医用Ti6Al4V ELI粉末床熔融增材制造规范。

作者介绍
栗晓飞，北京航空航天大学机械学院 博士后。长期从事增材制造、材料与制造领域标准化相关工作，主持编制并发布了国内首套增材制造专业领域行业标准，共计主持和参与了30余项国家级、行业级增材制造领域标准的研究与编制、中国工程院战略咨询研究项目2项，获中国航空工业集团公司三等功一次。

现任美国ASTM F42增材制造技术委员会委员、SAE AMS-AM增材制造技术委员会委员、国家增材制造标准化技术委员会（SAC/TC 562）委员、江苏省质量技术监督计划科技评审专家等。