制定 3D 打印标准：我们今天在哪里？ （2020 更新）

新兴产业和技术的标准化之路可能漫长而艰巨。但对于一个行业来说，要开发一个强大的市场，标准化流程的需求变得越来越重要。

3D 打印已经达到了这个分水岭时刻：安永调查的公司中有 46% 预计到 2022 年将该技术应用于终端部件生产。显然，随着技术继续向生产转移，需要标准化比以往任何时候都更加尖锐。

3D 打印标准化的好处

标准化是指指导行业和组织的最佳实践、法规和基准。对于 3D 打印等新兴的颠覆性技术，标准可以提供急需的基础，以促进该技术的更广泛采用，尤其是在市场持续增长的情况下。更好的质量保证和过程一致性的好处是显而易见的。

然而，实现增材制造标准化的过程并非一帆风顺。增材制造的数​​字化起源意味着比传统制造需要考虑更多因素，从数据格式的使用到设计和生产流程的指南。

我们看到了 3D 标准化的两个核心优势印刷：

1.确保一致性

始终如一地生产高质量零件并确保每次都可重复进行过程仍然是增材制造领域当前面临的挑战之一。

增材生产由一个复杂的变量网络组成，从原材料到设计优化和制造过程，而这又需要软件和硬件基础设施之间的交互。每个阶段都必须进行监控、评估和控制，以确保 3D 打印部件的可重复性和可靠性，同时避免成本高昂的试错方法。

标准化有助于定义增材制造生产的每个步骤的参数，有助于在每一步创建一致的流程。通过这种方式，公司可以将其 AM 流程的质量与一组初步标准进行比较。这可确保实现所需的质量结果。

2.符合监管标准

在医疗、汽车、航空航天和国防等高度监管的行业中，产品认证问题也可能延迟 AM 的更广泛采用。使用增材技术生产的零件的特性可能与减材制造所达到的特性大不相同，这使得质量保证和认证变得复杂。

资格和认证标准通过提供部件评估和合格的指南，为产品认证开辟了一条可行的途径。

标准化的挑战

虽然目前确实存在一些 3D 打印标准，但许多关键标准仍在制定中。我们概述了一些需要 3D 打印标准化的领域。

1.材料

当前的挑战之一集中在 AM 特定材料上，其中许多标准并不存在。特别是用于金属增材制造的材料是重点关注的领域，特别是因为它们被用于航空航天和医疗等高要求行业。

例如，AM 特定材料缺乏标准化意味着制造商无法获取应力值。由于缺乏 3D 打印材料规格，设计和过程控制数据也非常有限，这会影响零件的创建方式。

部分解决此问题的一种方法是采用为传统材料开发的现有标准，直接用于 AM 材料。然而，这些标准的适用范围仍有待确定，因为 AM 部件的机械性能可能与其传统制造的对应物有很大不同。

2.过程控制

增材制造过程变量的专有性质对标准化提出了另一个挑战。许多 3D 打印机制造商可能不愿意共享有关过程变量优化的数据，这会影响打印部件的属性，如热历史、微观结构和缺陷形成。在这里，协作和开放平台战略将是应对这一挑战的关键。

3.认证

最后，开发强大的认证方法是 3D 打印标准化的一个重点领域。当前的质量保证和验证方法是测试最终零件，这需要额外的时间和资源。为了克服这个问题，该行业需要开发全面的零件认证流程，以实现更好的实时质量控制。

使任务变得更加困难的事实是，认证过程因行业和应用而异。如何以及何时进行认证测试是任何标准化过程都需要指定的领域。

为 3D 打印开发标准化框架

迄今为止，尚未就增材制造工艺和产品的标准达成全球共识。然而，随着标准制定组织 (SDO) 和其他机构的合作，正在取得进展，以建立一套全面的增材制造标准。

标准制定组织

ISO 和 ASTM 国际组织 是两个关键的 SDO，它们已经成立了专门的委员会来支持跨行业采用增材制造。在很大程度上基于自愿努力，ISO 和 ASTM International 正在努力涵盖增材制造的所有方面。

2016 年，他们成立了联合工作组，以更新和批准增材制造标准的通用组织结构，以协调他们在增材制造行业的发展。

作为此次合作的一部分，两家 SDO 宣布了 3D 打印标准框架 - 增材制造标准结构 .该框架概述了需要标准化的各种类别，大致包括：

• 材料
• 工艺和设备
• 成品件的处理
  

此后，双方的合作卓有成效。截至 2020 年 5 月：

• ASTM 增材制造技术委员会 F42 已批准 22 项标准
• ISO 增材制造技术委员会 261 (ISO/TC 261) 已发布 15 项标准，另有 30 项标准处于不同的发展阶段。

ASTM 还发起了多轮融资，以帮助支持 AM 行业标准的制定。 2019年，新一轮资金启动，惠及同一机构及其研究，新增新加坡国家增材制造创新集群（NAMIC）。

金属粉末3D打印标准床融合

2018 年，ASTM 委员会 F42 发布了一项标准，以增加金属粉末床熔融 (PBF) 工艺的使用。

该标准称为 F3303，面向金属用于医疗、航空航天和其他领域的增材制造。它概述了验证基于 SLM、EBM 和 DMLS 技术的机器和流程的步骤。确保 AM 步骤固定且可重复，有助于克服与​​ 3D 打印金属零件的应用和批准相关的许多挑战。

目前，ASTM 的主要重点是为 SLM 制定标准技术，目前最流行的金属3D打印方法。

除了 ASTM，金属粉末工业联合会 (MPIF) 最近还发布了九个 MPIF 标准测试方法，用于表征金属 AM 粉末。

针对设计者、制造商和用户金属 AM 零件，该系列是行业认识到金属 3D 打印在制造业中日益重要的另一个标志。

航空航天 3D 打印的标准化

为了解决航空航天金属增材制造的标准化问题，全球工程标准协会 SAE International 最近发布了四项新的 PBF 标准。

新的航空航天材料规范 (AMS) 标准套件支持关键飞机和航天器部件的认证，涵盖镍合金的材料规范和金属粉末 3D 打印的工艺要求。

然而，SAE 并没有就此止步。最近，该组织还于去年发布了航空航天业的首个 AM 聚合物规范。例如，AMS7100 规范建立了关键控制和要求，以通过熔融沉积建模 (FDM®) 或其他材料挤出生产生产可靠、可重复、可再现的航空航天部件。

ASTM International 的 F42 委员会也在开发4 项附加标准将帮助飞机零部件制造商满足安全和性能要求。这些标准涵盖了原料材料、成品部件特性、系统性能和可靠性以及资质原则。

The 增材制造标准化协作组织 (AMSC)

适当标准的制定是增材制造主流采用的关键驱动因素。但是，需要采用一致的方法来促进行业更快发展。

鉴于这种需求，美国制造、美国增材制造创新研究所和美国国家标准协会 (ANSI) 已联手建立增材制造标准化协作组织 (AMSC)。

自 2016 年以来，AMSC 已发布了两个版本的增材制造标准化路线图。该路线图旨在确定标准（已批准和正在制定）、评估差距并确定额外研发和标准化的优先领域。来自 175 个不同公共和私营部门组织的 300 多名个人支持制定了 2018 年 7 月发布的第二版路线图。

AMSC 的路线图提供了工业添加剂当前标准格局的快照制造业。有趣的是，它确定了 93 个差距——其中 18 个被认为是制定更多标准的高度优先事项。差距包括需要建立一个指南来强调增材和减材技术之间的权衡，以及特定工艺的设计指南。

在 2019 年底，America Makes 和 ANSI 还推出了一个在线门户，用于跟踪 AM 中的标准化活动

尽管具有挑战性，但跟踪并最终弥合标准化差距对于 AM 来说势在必行寻求释放增材制造技术潜力的利益相关者。

协作的重要性

行业合作和伙伴关系一直是增材制造的强大机制，标准制定也不例外。促进合作为利用工业增材制造专业知识提供了绝佳机会，这有助于扩大 3D 打印行业标准的范围。

• 例如，SLM Solutions Group 与德国标准化研究所 (DIN) 合作，支持后者新成立的增材制造指导委员会。 SLM Solutions 旨在通过其技术专长加快金属 3D 打印的商业可行性。

• 欧瑞康和波音之间的合作也将制定金属 3D 打印标准。该合作伙伴关系针对增材制造在航空航天和国防领域的应用，专注于对结构钛部件的粉末基金属 3D 打印的材料和工艺进行标准化。

• 上个月，ASTM International 向增材制造卓越中心的研究项目投资了 300,000 美元，主要针对四个主要领域，包括原料、工艺认证、后处理和测试。

• 今年夏天增材制造卓越中心的启动也是该行业的另一个里程碑。新设施由 ASTM International 与奥本大学、美国宇航局、EWI 和英国制造技术中心 (MTC) 合作创立，专注于连接研发和标准化，以填补关键的行业空白。

虽然 MTC 将制定标准来评估金属粉末的质量和可回收性，但 NASA 的研究人员将专注于基于激光的机器和工艺的规范。 EWI 将研究后处理以帮助标准化表面质量和测量指标。最后，奥本大学将负责研究金属增材制造中的机械测试问题，以帮助制定设计样本以测试 3D 打印部件的指南。

由于一系列关键的行业利益相关者聚集在一个屋檐下，这种合作可能会改变行业的游戏规则。

标准化：塑造 3D 打印的未来

“如果该行业拥有更好的整体标准，即被普遍理解和接受的标准，这将对所有利益相关者和选民都非常有益。通过标准，公司可以将苹果与苹果进行比较，并做出可以在供应商、制造商和用户的综合生态系统中实施的智能决策。'

Avi Reichental，XponentialWorks 创始人

虽然 3D 打印继续涉足工业制造，但该技术的主流采用受到零件质量、一致性和认证方面的挑战的阻碍。标准化有助于解决其中一些最紧迫的挑战。

为确保增材制造继续朝着主流采用的方向发展，需要制定标准和指南。然而，与此同时，这种发展需要时间，甚至可能需要数年时间。

但好处是显而易见的：明确的标准将通过培养通用术语、高效测试以及一致的材料和工艺来推动 3D 打印在生产中的使用。