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--熱烈祝賀我會聯辦的科普活動被中國科協評為--優秀科普活動
12月21日，中國科學技術協會辦公廳印發《關于對2020年全國科普日有關組織單位和活動予以表揚的通知》（科協辦函普字【2020】158號），江蘇省機械工程學會、南京工程學會和江蘇省學會服務中心聯辦的“2020年全國科普日暨第一屆‘天印筑夢·科普智行’”活動，被評為優秀科普活動。
國內外增材制造技術標準化趨于統一
時間：2020/12/11 16:10:17 瀏覽次數：2840
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增材制造技術（AM，俗稱3D打印）基于“離散+堆積”的思路，利用計算機構建零件的三維模型，然后將該模型按制造工藝所需的設定厚度進行切片分層，即將零件的三維數據離散成一系列的二維圖形，并根據二維圖形生成相應的掃描路徑，最后通過數控系統將專用的材料按照熔化、燒結、擠壓、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出三維零件。AM原材料主要包括生物材料（細胞、蛋白質、DNA等）、非金屬材料（高分子聚合物、陶瓷材料等）和金屬材料（鋼、鈦合金、鋁合金、鎳基合金等）三大類，由此發展出三種主要的AM技術，其代表性產品如圖1所示。
圖1 幾種典型的AM產品
（a）生物3D打印人耳
（b）熔融沉積制造航空發動機模型
（c）選區激光熔化人體骨骼多孔結構
（d）電子束選區熔化航空發動機低壓渦輪葉片
AM技術與鍛造和鑄造等傳統金屬零件制造技術相比具有以下優勢：
（1）高性能材料制備與復雜構件制造一步完成，其高度柔性的特質可以實現高性能非平衡材料與復雜結構制造，成形構件具有無宏觀偏析、成分均、組織致密的快速凝固非平衡組織，綜合力學性能優異；
（2）無需大型鍛造設備、大型鍛壓模材料利用率加工時間短、成本低、周期短，尤其適合高性能難加工金屬合金大型復雜結構件的快速低成本生產，此外其高度柔性的制造特點可廣泛應用于金屬構件的修復，還可以與傳統制造技術相結合，形成混合制造技術；
（3）AM技術為高效高性能的變革性結構設計提供了可能，傳統的由多個構件拼裝的系統可以設計成一個整體構件，而且可以根據不同部位的服役條件需求采用不同的材料制備梯度材料。
金屬是AM領域最重要、最具發展潛力的材料，精密復雜構件和高性能大型整體構件是AM領域內附加值較高的兩類產品，也代表了行業內最先進的制造水平和能力。精密構件成形多采用基于粉末床的激光/電子束選區熔化技術，主要包括選區激光熔化（SLM）和電子束選區熔化（EBSM）等，大型關鍵金屬構件則主要依賴高能束熔化沉積AM技術，主要包括激光熔化沉積（LMD）、電弧增材制造（WAAM）和電子束熔絲沉積（EBF3）等。
目前工業上對小型金屬構件（最大尺寸不超過1000mm）選區熔化直接制造相對較容易，歐美等國已經比較成熟地實現了小尺寸不銹鋼、高溫合金等零件的激光直接成型，未來高溫合金、鈦合金材質大型金屬構件的激光快速成型作將成為主要技術的攻關方向。圖1（d）即為GE增材研究中心制備的TiAl低壓渦輪葉片，還制備出了薄壁復雜結構的航空發動機燃油噴嘴，AM技術大幅加快了產品的研制并降低成本。美國Sandia國家實驗室開發的激光熔化沉積AM（LENSTM）技術制備的Ti-6Al-4V構件，已應用于洛克希德?馬丁公司F-22戰斗機大尺寸懸臂和波音公司F/A-18E/F戰斗機機翼拼接板。挪威Norsk Titanium公司采用等離子弧熔絲AM （WAAM）技術，為波音787夢想客機制備了多種次承力結構件（見圖2）。美國Sciaky公司電子束AM（EBF3）的鈦合金構件最大成形速度可達18kg/h，力學性能滿足AMS4999標準要求，并與2014年完成了電子束AMF-35飛機副翼翼梁的示范性研究，對比傳統的制造技術，電子束AM成本降低一半，交貨期提前80%。
圖2 Norsk Titanium公司為波音787客機打印的金屬構件
2015年以來，中國將3D打印納入國家工業轉型升級的重點方向，出臺《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016）》等扶持政策，設立“增材制造與激光制造”國家重點研發計劃等科技專項。國內北京航空航天大學、西北工業大學、西安交通大學、清華大學、華中科技大學等高校以及中國航發北京航空材料研究院、首都航天機械公司、中科院沈陽自動化所等研究所開展了大量AM技術研究，快速推動了中國AM產業的發展，孵化出如杭州先臨三維、西安鉑力特（2019年科創板上市）、南京中科煜宸等產業化公司，積累了深厚的理論研究基礎和產業化經驗，部分技術已達到世界領先水平，例如，北京航空航天大學在國際上率先突破了鈦合金、超高強度鋼等高性能難加工金屬大型復雜整體關鍵構件激光AM關鍵技術，成果已應用于多種航空航天裝備的研制中（見圖3）。
圖3 北京航空航天大學的飛機鈦合金主承力框和航空發動機整體葉盤
AM相對于減材制造和等材制造，具有設計制造一體、整體制造、無模具、無刀具、短周期、高柔性、近凈成形的優點，可滿足高可靠、長壽命、短周期、輕量化、整體化和低成本的需求。盡管AM技術優勢突出、在機械和材質屬性上足以滿足商業用途，但AM技術在材料、工藝、裝備和檢測等方面缺乏相應的標準。
國際標準化組織（ISO）和美國材料與試驗協會（ASTM）是國際上最具權威性的AM標準制定與發布的機構，世界各國都參與和開展了AM標準的制定工作，如英國標準協會（BSI）、法國標準化協會（AFNOR/UN）、德國標準化學會（DIN）等。2002年美國汽車工程師協會（SAE）發布了第一份AM技術標準——宇航材料規范AMS4999AMS 4999-2002《Titanium Alloy Laser Deposited Products 6Al-4V》，目前SAE已經發布及正在制定標準30余項。美國ASTM成立了專門的AM技術委員會ASTM F42，涵蓋術語、設計、材料和工藝、試驗方法、人員等子領域，包括10多個國家100多所成員單位，目前已發布標準30余項，在研標準20余項。ISO也成立了AM技術委員會TC 261，下設術語、方法、工藝和材料、試驗方法、數據處理等工作組，已發布ISO標準10余項，在研標準20余項。歐盟在其第七框架計劃的支持下提出了名為SASAM的項目，聯合ISO、ASTM以及CEN多方力量并于2015年6月發布了2015AM標準化路線圖，提出了AM標準化研究計劃和歐洲AM產業優劣勢與存在的問題。
中國AM標準化工作研究相對滯后，在AM材料、組織性能、尺寸精度、可靠性和穩定性等方面缺乏相關的標準規范，尚未形成明確的AM標準體系，導致國內AM產品質量參差不齊，一定程度上限制了AM產業發展。2014年，中國成為ISO/TC 261的P成員國。2016年，全國AM標準化技術委員會（SAC/TC 256）成立，承接ISO/TC 261相關工作，主要負責AM術語、工藝、測試、評價、軟件及相關技術服務等領域的國家標準制修訂工作。目前已發行由中機生產力促進中心 、上海材料研究所 、西安交通大學 、西北工業大學 、清華大學和西安AM國家研究院有限公司等單位聯合制定的GB/T 35351-2017《增材制造術語》等國家標準9項，近10項仍在論證；以及由中國航空綜合技術研究所、北京煜鼎AM研究院有限公司和北京航空航天大學共同起草發布的HB 20450-2018《航空鈦合金零件激光直接沉積AM 粉末規范》等航空行業標準5項。
隨著AM技術的成熟完善和多種類產品的應用，AM標準化研究也呈現逐年遞增的態勢，在經濟、生產、企業國際化的大背景下，學術交流日益緊密，AM標準化研究趨于統一。中國AM標準化研究處于初級快速發展階段，高性能大型金屬構件激光AM、大尺寸多激光選區熔化和智能微鑄鍛等自主研發的技術已處于國際領先地位，為國內標準化研究提供了具有競爭力的優勢，未來需建立與美國材料與試驗協會（ASTM）國際卓越增材制造中心（AM CoE）類似的AM標準化研究專業結構，促進制定中國AM技術發展與標準研究路線圖，著力扶持國家重點行業關鍵零部件的標準制定，重點關注即將上市但仍未通過行業認定的產品，在AM發展的全球浪潮中把握主動權。
