Post on 05-May-2021
标准助力航空航天增材制造产业发展与工程化应用
在 2019 年 11 月的中航迈特用户大会上,南极熊聆听了中国航空综合技术研
究所 、华质卓越生产力促进(北京)有限公司,融融研究院院长 栗晓飞,
“标准助力航空航天增材制造产业发展与工程化应用”的演讲。
△栗晓飞
南极熊备注:以下图片均从栗晓飞演讲 PPT 中提取
对于 3D 打印的标准,现在国内外都有很多,但很多时候大家都不理解。我
们在做标准的过程当中,也参考国外的标准。明明国外已经定出来,并且整
个工程应用已经开始了,但是看到标准里面的条款,实际上还有很多疑惑的
地方,不知道它为什么这么定,除了管理体制的问题,因为说国外的这种技
术管理,包括成熟度的界定,国内刚刚引入,国内目前对成熟度或者说在型
号应用上整个技术管理的流程有差异,每个阶段都不一样。如果把国外标准
进行充分吸收借鉴,把我们自己本身的技术能力和技术管理体制调整过来
呢?实际上非常困难。
美国的增材制造标准
△美国增材制造的组成单位,包括政府、国防部、工业界、科研机构等
美国增材制造的组成单位,分为几个部分,第一个就是政府,政府最关注的
就是增材制造产业到底有没有发展,未来产业规模是多大,能够给国家带来
多大的经济收入和政治优势;通过一系列的方式措施手段去搭建平台。第二
个就是终端用户,可能国内也是一样,很多技术产品,包括是从军工开始,
因为成本太高,一般民用烧不起钱。
所以很多技术和材料都是最开始从国家军工投入研发,成熟了之后,慢慢价
格降低,最后应用到其他领域。
△美国增材制造的发展历程
美国增材制造的发展历程是这样:
①美国国防部就针对自己的军事需求,改变游戏规则,实施第三次抵消策
略,满足陆、海、空三军及国防后勤局需求,提出了“DOD 增材制造路线
图”;
②前身国家增材制造创新研究所(NNMII),从 2012 年起建立了美国制造(A
merican Makes),根据在制造中各个不同部分的痛点或者技术难题开展了
大量基础技术研究,到目前为止已经有 71 项;
③不同应用场景和技术链条的单位,由波音、GE、雷神等军工企业,Sieme
ns、Autodesk、EOS 等民口企业,DoD、FAA、NASA 等政府组织,NIS
T、阿拉巴马等高校与科研机构,ASTM、SAE 等标准化机构,一起合作形成
增材制造标准化协作组(AMSC)。
△美国制造的 71 项基础技术研究
△美国国防部的 3D 打印技术路线图,由美国增材制造创新机构和德勤公司负
责制定,美国陆海空三军和国防后勤部全程参与;应用于武器军事维修与保
障、部署与远征、新部件新系统的采办;涉及设计、材料、工艺、价值链四
个技术环节领域
△总体上,美国增材制造是以军事和工程化需求来牵引,通过基础研究,最后
制定出可以促进产业发展和应用的手段依据标准
目前,全球范围内,已经出现了很多关于增材制造的标准,推出标准的单位
有国际标准化组织、英国美国国防军工、航空方面的 FAA/EASA、3MF/AST
M 等国外先进标准化组织;包含发布、在编及计划编制,共计约 100 项。
△根据已经发布的增材制造标准,一般可以归为通用基础、设计、材料、制
造、产品、测试评估、修理等几个节点
ISO/ASTM 的增材制造标准情况
△ISO/ASTM 的增材制造标准情况
• ISO 17296-2:2015 增材制造-通用要求-第 2 部分:工艺类型及原材料
• ISO 17296-3:2014 增材制造-通用要求-第 3 部分:主要特性及对应测试
方法
• ISO 17296-4:2014 增材制造-通用要求-第 4 部分:数据处理
• ISO/ASTM 52900:2015 增材制造-通用要求-术语
• ISO/ASTM 52910:2018 增材制造-设计-要求、指南及建议
• ISO/ASTM 52901:2017 增材制造-通用要求-AM 零件采购通用要求指南
• ISO/ASTM 52921:2013 增材制造术语-坐标系及试验方法
• ISO/ASTM 52915:2016 增材制造文件格式(AMF)规范 1.2 版
• ISO 27547-1:2010 塑料-使用无模技术的热塑材料试验样品制备-第 1 部
分:通则及激光烧结制备试验样品
• ISO/ASTM 52902:2019 增材制造-测试标样-增材制造系统几何能力评估
指南
• ISO/ASTM 52904:2019 增材制造-过程特征与性能-符合苛刻条件应用的
金属粉末床熔融过程标准惯例
• ISO/ASTM 52911-1:2019 增材制造-粉末床熔融技术设计指南-第 1 部
分:金属激光粉末床熔融
• ISO/ASTM 52911-2:2019 增材制造-粉末床熔融技术设计指南-第 2 部
分:聚合物激光粉末床熔融
• ASTM F2921-13(2019)增材制造术语——坐标系及测试方法
SAE 增材制造标准情况
2015 年,SAE 成立了 AMS-AM 技术委员会,积极开展增材制造技术标准的
制定工作,截止目前,已发布 12 项 AMS 标准,27 项标准正在制定过程
中。
相关情况涉及:
• 制定材料规范:针对原材料和成形后材料(包括金属、塑料等)的采购,
制定航空航天材料规范(AMS),并与相应的共享材料性能数据库结合。
• 发布工艺类标准:发布推荐性惯例、规范和标准,用于通过 AM 材料加工
和制造航空航天产品。
• 与相关组织协调:通过与 MMPDS、CMH-17、ASTMF42、AWS D20、
Nadcap 等相关组织进行协调,促进对材料规范的采用。
• 数据发布:针对新材料与 MMPDS 或 CMH-17 工程技术工作组协调在共
享材料特性数据库内的数据发布要求。
• 标准体系保证:建立体系来确保材料规范是受控并可追溯的,并对依据规
范化程序分析过的数据进行统计分析。
△涉及电子束、激光粉末床、等离子弧、激光熔丝、熔融挤出等技术类型工艺
• AMS4999A 退火态 Ti6Al4V(TC4)钛合金直接沉积制件
• AMS7000 消除应力、热等静压及固溶退火态 IN625(GH3625)耐蚀耐
热镍基高温合金激光粉末床成形零件
• AMS7001 IN625 耐蚀耐热镍基高温合金增材制造用粉末
• AMS7002 航空航天零件增材制造用金属粉末原材料生产过程要求
• AMS7003 激光粉末床熔融工艺
• AMS7004 基板上等离子弧定向能量沉积增材制造成形 Ti6Al4V(TC4)
钛合金毛坯(去应力态)
• AMS7005 等离子弧熔丝定向能量沉积增材制造工艺
• AMS7008 哈氏合金 X(GH3536)粉末
• AMS7013 增材制造用 60Ni -22Cr -2.0Mo -14W -0.35Al -0.03La(G
H3230)耐蚀耐热镍基合金粉末
• AMS7014 增材制造用 Ti-6.0Al-2.0Mo-4.0Zr-2.0Sn(TA19)高温钛合
金粉末
• AMS7100 熔融沉积成形(FDM)增材制造工艺
• AMS7101 熔丝挤出增材制造用材料
美国国家航空航天局 NASA 增材制造标准情况
NASA 发布的 MSFC-STD-3716 金属激光粉床熔融增材制造航空航天产品
标准 MSFC-SPEC-3717 金属激光粉床熔融增材制造冶金过程控制与鉴定规
范目的主要有两方面:
• 对基础过程及零件生产过程控制进行定义,用于对 L-PBF 技术当前状态
相关的风险进行管理;
• 向总师系统(CEO)及当局提供产品一致性证明,评估每个 L-PBF 零
件的风险及控制的合规性。
定义 L-PBF 中的基础过程控制方面的程序要求,包括:
• L-PBF 冶金过程的定义与鉴定要求;
• 设备及设施的维护、校准及鉴定要求;
• 操作人员培训要求。
ASME 增材制造标准情况
ASMEY14.46-2017 涵盖了增材制造(AM)技术特有的术语和特征的定
义,并提出了在产品定义数据集和相关文档中统一规范的建议。该标准可用
于统一规范设计、制造和检测中相关的 AM 详细信息。
美国国防部 DOD 增材制造标准情况
MIL-STD-3049 规定了采用金属直接沉积(DDM)在金属零件基体上进行金
属沉积修复相关的材料选择、鉴定与检验要求。
美国联邦航空管理局 FAA 增材制造标准情况
2018 年,FAA 发布了 AC 33.15-4 标准,它基于 PBF AM 材料的工艺依赖
性强。
用于 PBF AM 材料的设计值不仅与制造商采购原材料的变异性相关,而且还
与用于制造生产零件和维修的制造工艺所引入的变异性相关。由 AM 专家确
定,PBF AM 工艺最多涉及 100 个工艺参数,必须理解这些参数,包括具有
稳定和可重复的方式生产零件的能力所需要的控制水平。
AMSC 增材制造标准
另外,国外增材制造标准还有:
• 3MF:材料、制造、产品、点阵、切片等的格式
• AWS:增材制造金属零件制造规范
• PRI:激光与电子束金属粉末床增材制造审核准则
• UL:增材制造设施安全管理审查大纲
• VDI:增材制造术语定义、设计、质量控制、分级分类、材料数据表等 16 项
标准
标准如何助力产业发展与工程化
标准,推动产业发展与工程化应用的关键。对于中国的增材制造标准来说,
迫切需要建立企业标准体系。
中国航空综合技术研究所希望打造一个“链接企业 为企业赋能”的增材制造
新模式——融融生态圈。
△融融生态圈正在做的事情
• 再制造、尺寸及涂层修复用金属直接沉积通用技术要求
• 军用增材制造零件采购与验收指南
• 增材制造技术与标准路线图研究
• 增材制造材料及产品合格鉴定
• 已发布 5 项激光直接沉积增材制造系列标准
• 在研 10 项通用基础、激光选区熔化系列标准
• 中科院增材制造战略咨询项目 2 项,科技部重点研发计划 1 项,科技部 N
QI 项目 1 项
• 中国航发商发增材制造标准体系建设及关键标准研制项目
首批正在制定 13 项团体标准,包括增材制造产品数字化定义、增材制造坐
标系定义指南、增材制造金属粉末原材料生产过程控制要求等,由航空工
业、中国商飞、中国航发、航天科技、航天科工、国家创新中心、国家质检
中心、铂力特、中航迈特等单位共同参与。希望有更多的单位可以参与进
来,一起推动中国增材制造事业的发展。