航天增材制造技術標準體系探索

李林凌 張嘯雨 余晨帆 譚滄海

（北京空間飛行器總體設計部，北京，100094）

引言

被譽為“第三次工業革命”的增材制造經過近40 年的發展，在航空、航天、汽車、船舶、核工業、醫療等領域均有應用。增材制造（又稱3D 打?。┦腔凇胺謱忧衅饘佣逊e”的思想，采用離散材料逐層累加原理制造實體零件，相對于傳統的減材制造和等材制造，增材制造技術將三維實體加工變為若干二維平面加工，大大降低了制造的復雜度[1-3]。這種技術不受零件形狀和結構的約束，具有數字化、智能化的特點，是未來產業發展新的增長點。近年來，我國在增材制造技術研發和產業化方面形成了一定的基礎和優勢，部分應用領域實現了技術突破[4]。但是，由于相關技術標準的缺失，未能及時、高效架起增材制造技術與其產品產業化銜接的橋梁，增材制造的優越性沒有轉化為搶占市場的優勢和提高產品核心競爭力的優勢[5-6]，減緩了航天新研、高性能產品產業化進程。因此，航天增材制造技術標準體系的建立顯得尤為必要和迫切。

1 增材制造業現狀

增材制造技術經過近40 年的發展已漸趨成熟，全球增材制造產業規模逐年擴大。近年來，為了發展先進制造業、搶占科技創新制高點，推進增材制造技術研究和產業化應用，美國、德國、日本等世界工業強國，紛紛制定了發展增材制造的國家戰略和具體推動措施。美國增材制造技術咨詢服務協會（Wohlers）2017 年的報告顯示，美國以36.8%的份額遙遙領先世界其他國家，中國、日本和德國占據第二梯隊[7]。

在增材制造各項因素中，3D 打印材料的地位逐漸提高。3D 打印材料在3D 打印業務中的市場規模占比約24.1%。2016 年～2019 年，全球3D 打印材料市場規模逐年上升，2020 年全球3D打印材料市場銷售規模約36 億美元。

在政策的引領和市場的驅動下，我國增材制造產業迅速發展，關鍵技術不斷突破，在航空、航天、汽車、船舶、核工業、醫療等領域均有廣泛應用，尤其在航空、航天領域應用比例占18%以上。2017 年～2020 年，我國3D 打印產業規模逐年增加，增加速度略快于全球整體增速，全球占比在不斷增加。根據2020 年3 月賽迪顧問發布的 《2019年全球及中國3D 打印行業數據》，2019 年中國3D打印產業規模為157.5 億元，較上年增加31.1%。

隨著增材制造技術的成熟和產業的迅速發展，增材制造產品的質量得到了提升，產品成本逐步降低，其應用正在從原型制造、樣件制造向更大規模的零部件制造方向發展。

2 國外增材制造標準體系現狀及趨勢

目前，國際上開展增材制造標準化工作的組織主要是國際標準化組織（ISO/TC 261）和美國材料與實驗協會（ASTM F42）。ISO/TC 261 成立于2011 年，目前有14 個成員國和6 個觀察員國。ASTM F42 成立于2009 年，目前該委員會包括來自10 個國家的100 多個成員單位。以上2 個組織在增材制造技術標準制定方面進行了深度合作。2012 年，美國國家標準技術研究院（NIST）提出了增材制造技術標準戰略規劃，確定了增材制造技術標準體系框架結構、標準規劃任務、優先完善內容等，以提高標準的整體性和易用性，實現ASTM F42 影響的最大化，避免標準的重復與矛盾[8]。

2015 年，ISO/TC 261 與ASTM F42 達成初步的標準工作框架協定，將增材制造技術標準體系框架分為3 個層次。

a）通用標準制定，即最高級基礎標準，包括術語、測試方法、設計與數據等方面；

b）裝備分類、零件技術指標等標準制定，即第二級分類標準；

c）具體材料、工藝和應用方面的標準等，即第三級專用標準。

ISO 和ASTM 聯手制定的3D 打印標準發展體系，為3D 打印企業和機構提供一個全面的技術標準框架，其主要作用有以下幾個方面。

a）展示3D 打印相關行業內的現狀，指引3D 工業專家和標準機構；

b）避免專家和機構重復工作，建立標準中心；

c）優先考慮最需要標準化的領域，凝聚各方力量；

d）增強3D 打印技術的易用性，激勵3D 應用領域。

2018 年在美國國防部的資助下，美國國家增材制造創新研究所和國家標準協會合作發布了增材制造標準化路線圖2.0 版本，概述了增材制造標準化的當前現狀，列出了93 個行業標準的缺口，并將其中18 個缺口確定為高優先級缺口。ISO/ASTM 已正式發布標準見表1[9]。

國際增材制造標準化呈現出“高度統一”的特點，即：標準體系高度統一（遵照同一套標準體系）、標準內容高度統一（制定同一套標準）、開展標準化工作的專家隊伍構成高度統一（同一批歐美專家以及部分亞洲專家）。在大力發展增材制造技術并推進其發展的同時，也在積極開展增材制造標準化創建工作。

3 我國增材制造標準體系現狀及趨勢

我國于2002 年開始開展增材制造產業標準化制定的相關工作，依托全國特種加工機床標準化技術委員會，主要針對快速成形機床產品制定了近10 項國家標準及行業標準。但內容較單一，標準沒有涉及關鍵共性技術、設計、工藝和方法、檢驗與測試等方面的需求，很難全面反映國內現有增材制造技術的研究水平。隨著國家出臺各項政策支持增材制造的產業化發展，對標準化工作也提出了要求?！对霾闹圃飚a業發展推進計劃（2015—2016 年）》明確提出要建立和完善產業標準體系，增材制造作為智能制造的核心技術，也是 《國家標準化體系建設發展規劃（2016—2020 年）》中的重要工作內容。

2014 年7 月，國家標準化管理委員會批準機械科學研究總院中機生產力促進中心作為國際標準化組織ISO/TC 261 的國內技術對口單位，并推動我國成為ISO/TC 261 的參與成員國（Participating Member）。2016 年，全國增材制造標準化技術委員會（SAC/TC 562）正式成立，主要負責制修訂相關行業的國家標準[10]，包括增材制造術語和定義、工藝方法、測試方法、質量評價、軟件系統及相關技術服務等方面。

根據我國增材制造產業構成，從技術維度、保障維度及應用領域維度，探索以通用基礎、增材制造軟件、材料、成形工藝、系統及部件、設備、成形件、檢測評估、技術服務共9 大部分組成的增材制造產業綜合標準化技術體系框架，每部分由若干個不同的標準子體系構成。其中，增材制造成形件標準子體系主要包括面向工業制造、生物醫療、航空航天、消費文化等領域制造的成形件標準。目前，我國已發布及正在制修訂中的增材制造標準共有國家標準13 項，行業標準4 項（機械行業標準）。

目前航空、航天領域增材制造產品占我國增材制造產品的18%以上，航天增材制造產品需求持續增長。2019 年，由我國研制的世界首顆基于三維點陣結構商業星在軌成功飛行驗證，然而，航天領域的增材制造行業標準還是空白。因此，加快航天領域增材制造技術標準體系建設迫在眉睫。

4 建設我國航天領域增材制造標準體系

4.1 國內增材制造標準體系建設

增材制造是一種融合多種技術的制造方式，涉及設計、工藝、材料、設備、后處理、檢驗檢測、產品質量安全到服務等多角度全產業鏈。目前，國內增材制造技術標準體系一方面借鑒國外增材制造技術標準體系經驗，另一方面根據我國增材制造的巨大需求，從實踐上、理論上不斷完善增材制造技術標準體系。

a）借鑒國外標準體系經驗

ISO/TC 261 下設4 個工作組：術語、方法/工藝和材料、試驗方法、數據和設計[11]。ASTM F42 下設4 個分技術委員會：試驗方法、設計/材料、工藝/術語、戰略規劃（不以標準制修訂為主要業務）。遵循3 層次增材制造標準體系框架，從基礎通用、工藝、材料、試驗方法、設計方法和設備標準6 大類開展標準化建設。我國的增材制技術標準體系基本上按照3 層次增材制造標準體系框架開展建設工作。

b）不斷完善標準體系

增材制造技術在我國的發展得益于政策的引領和市場的驅動。目前，增材制造的關鍵技術不斷得到突破，增材制造技術的各個環節不斷得到檢驗，初步形成獨具特色的“增材制造服務”狀態：從采購增材制造設備、材料到直接購買全方位的增材制造服務，即服務企業接到增材制造服務需求后，服務企業根據需求就可以加工出所需的零件或產品。

國內增材制造技術標準體系的建立也參考ISO 和ASTM 聯手制定的3D 打印標準發展體系。在不同領域的增材制造實踐的基礎上不斷完善建立相應領域的增材制造技術標準體系，部分增材制造技術的環節還需要理論上的深入研究，促進增材制造技術標準體系完善和實際應用[12]。

4.2 國內航天領域增材制造標準體系建設

結合增材制造技術國際標準化技術體系的研究情況，建立我國的增材制造技術標準體系遵循了以下3 個原則。

a）目標導向原則：以規范產業發展、促進技術進步、利于專業交流為導向，利用綜合標準化的思想建立標準體系。

b）系統分析原則：從全產業鏈、全價值鏈、全技術體系等維度開展分析，形成綜合性的標準系統，以滿足產業發展、技術進步的需求。

c）整體優化原則：以整個產業的最優配置協調上、中、下游的標準化需求，合理統一規劃，避免重復不匹配等問題。

航天增材制造產品具有以下特點：①產品的輕量化要求高；②產品研制進度要求快；③產品特殊外形需求多；④內部空腔結構多余物（金屬粉末）控制要求嚴格；⑤零件內部質量控制要求高（不能有潛在缺陷）；⑥產品形狀精度控制要求高；⑦產品數量少。這些特點，部分與增材制造的優勢相匹配，如產品輕量化、研制進度快、特殊外形、個性化產品等；部分與增材制造自身的工藝、后處理、檢驗評估等不匹配，如產品內部空腔多余物不好控制、零件內部質量不便于檢驗等。因此，有必要針對航天產品的行業特點需求，遵循目標導向、系統分析、整體優化原則，在軟件及數據處理、設計、材料、工藝、設備、系統及部件、后處理、檢驗評估、技術服務等環節，規范航天領域增材制造全流程業務，提高增材制造航天產品質量，提升航天領域增材制造產品競爭力，搶占航天領域增材制造國際標準制高點。

從我國增材制造產業發展的狀況來看，在政策的引領和市場的驅動下，我國增材制造產業發展迅速，領域滲透廣泛。航天增材制造技術標準體系建設同樣需要政府引領和市場的驅動。有了政府的引導，便于目標導向、系統分析和整體優化的實現；在市場的驅動下，工業研制部門結合增材制造的優點，參考原研制方法的工藝過程，制定出新型加工方式的工藝方法、檢測方法、評價方法等，做到既要釋放新型加工方式的優越性，又要保障新型加工方式的穩定可持續發展。

在標準系統建設中，由有義務、有基礎、有能力的標準化科研院所、高校、企業等單位牽頭開展航天領域增材指標標準化體系建設工作。參與航天領域增材制造的各單位從全產業鏈、全價值鏈、全技術體系等維度自發完善航天領域增材制造技術標準體系。

5 結束語

航天領域增材制造產品需求持續增長，基于航天增材制造產品的特點和宇航級產品品質需求建立航天領域增材制造技術標準體系已經迫在眉睫，借助我國初步建立的增材制造技術標準體系，致力于提升航天產品的競爭力。

結合航天增材制造產品的特點，以增材制造工業研制部門為龍頭，梳理航天領域增材制造技術各個環節，研究制約增材制造技術發展的相關理論，在增材制造實踐過程中不斷完善設計、工藝、后處理、檢驗等環節，匯聚標準化科研院所、高校、企業、產業聯盟和學協會等各方力量。通過構建航天領域增材制造標準體系，促進航天領域增材制造技術和產業發展，實現航天增材制造技術成果的累積、固化和推廣應用，為航天領域快速、高性能制造提供技術支撐。

航天是當今世界科技強國競相發展的重點方向之一，其發展離不開兼具輕量化、難加工、高性能、高精度等特征的宇航產品。增材制造為宇航產品設計與制造開辟了新的工藝途徑，可應對航天領域發展過程中對材料、結構、工藝、性能及應用等提出的新挑戰。唯有吸收國內外增材制造技術體系建立的經驗，凝聚各行業領域力量，才能建立體系完備、可執行度高的航天領域增材制造技術標準體系。