全球视角:目前已建立的金属3D打印标准有哪些



 随着金属增材制造逐步转向工业生产,对覆盖技术各方面的国际标准的需求也变得越来越迫切。来自Fraunhofer IFAM的Claus Aumund-Kopp和Frank Petzoldt回顾了国际标准的过往,总结了现有的金属增材制造标准,并对未来可能遇到的挑战进行了思考。

随着一项技术发展,且越来越多地得以应用,行业就需要针对其技术术语和工艺细节达成一定的共识。如今,金属增材制造已步入产业化阶段,特别是牙科和航空航天业已经进入商业规模生产,更需要材料性能、测试程序等方面的标准。标准化主要是靠主要利益相关者参与全球各种标准化委员会来实现的,是一项极为耗时的工作。最终,无论是机器、粉末制造商,还是零件制造商和终端用户都将受益于这些标准,因为标准即意味着这项技术的可靠性。本文列出了迄今为止不同组织发布的增材制造标准(如图1),指出了为何增材制造实现标准化如此重要,并强调了国际标准的必要性。

图1.增材制造国际标准化年表

现状

增材制造正在改变全球各个行业,各种类型的公司也都看到了这项技术所带来的大量突破性机会。当然,这项技术还将面临许多挑战。与传统金属成型工艺相比,特别需要注意制造工艺参数与材料性能间的重大关系。不同机器系统和生产条件可能导致不同的属性,这都需要考虑到。此外,材料性能与原材料也密切相关,如金属粉末,原材料会在制程窗口与一组参数结合。了解这一点后,验证性能并建立强大可靠的生产工艺对增材制造而言至关重要,还需根据检查和验证规则制定质量管理体系。由于缺乏相关标准,目前大多数采用增材制造技术生产终端零件的公司都建立了自己内部的材料和工艺指南。因此,提高工艺知识和制定共同技术标准非常重要。另外,设计标准也有助于推广增材制造,毕竟如今大多数CAD工具都没有充分利用增材制造这项技术。

标准的设立有助于提高事物的接受程度,特别是像金属增材制造这样的新制造工艺。增材制造是一项需要国际标准的全球性工艺。标准化有助于促进国家、地区和国际之间的技术和经济合作。目前已有几个国家和区域开始了相关的标准设定。

国际标准化组织(ISO)和美国材料与试验协会(ASTM International)这两个国际机构在全球范围内准备、制定和出版与增材制造相关的标准(更多信息参见插图)。 欧洲标准化委员会(CEN)也成立了区域性的增材制造标准化委员会。 另外还有一些国家和地区也推出了相关的标准化和指导方针,如英国标准协会(BSI)和法国标准化协会(AFNOR/UN),德国标准化学会(DIN)与德国机械设备制造业联合会(VDMA)、德国工程师协会(VDI)也合作出版了增材制造相关标准。

美国材料与试验协会委员会

•成立于2009年

•范围:制定增材制造技术标准,推广知识,刺激研究和技术实施

•成员:各阶层领域代表,如公司、大学、研究机构等

•一组织一票

•目前,代表23个国家的400多名个人成员

国际标准化组织技术委员会

•成立于2011年

•范围:关于增材制造的流程,术语和定义,工序链(软硬件),测试程序,质量参数,供应协议以及各种基本原理的标准化

•成员资格以不同国家标准化组织的代表为基础,每个成员组织可以提名不同领域的专家

•一组织一票

•目前有20个参与国与5个观察员。

图2. 增材制造各种不同的术语 

 

表1. 已有的金属增材制造标准

2009年,美国材料与试验协会成立增材制造技术委员会。同年,德国和英国也成立了相关委员会。国际标准化组织则是在2011年成立了技术委员会,这两大组织在2013年7月定下了联合标准制定计划。

欧洲则是在2012年才开始,如增材制造标准化支持行动(SASAM)就是由欧盟资助的框架计划中的一个项目。这个项目旨在通过一些整合和协调标准化并解决生产问题的活动来推动增材制造的发展。整个项目在2014年4月结束,涵盖了利益相关者的要求,成为了增材制造标准化的路线图。

2013年3月,欧洲电工标准化委员会(CENELEC)与欧洲标准化委员会(CEN)成立了增材制造STAIR-AM平台,集中讨论与增材制造相关的研究、服务供应商和全球标准化组织的事宜。之所以称之为增材制造平台,是因为这是一个专门研究增材制造的欧洲网。基于该AM平台的讨论将持续下去,该平台由一个欧洲国家网组成,致力于增材制造领域的研究议程。

2015年7月,CEN/TC 438委员会成立。它的主要目标和重点是标准化增材制造(AM)过程、生产链(含软硬件)、测试程序、环境问题、质量参数、供应协议以及一些基本术语的应用。为了确各项目的一致性并与国际标准接轨,其首要任务是发布EN ISO标准。

各工作组的工作都在紧锣密鼓的进行当中。然而,协调现有的各种标准并形成一套国际通用的增材制造标准,是一个巨大的挑战。到目前为止,已经发布的有关增材制造的标准有以下几个方面:

术语以及数据格式

材料

测试

表1给出了关于增材制造行业已发表的标准的一份概述。本文的目的是对现有的增材制造行业标准做一个简明的概述,下文中将会列出涉及到的每个标准的简短摘要。

术语

术语是整个标准化过程中的第一个项目,因为增材制造技术中有许多不同的术语以及缩写,并且涉及了制造过程的方方面面。对整个增材制造领域来说,更为通用的术语是3D打印,而这一术语的广泛使用,则是受到了低成本家用3D打印机的影响。事实上增材制造所指的是生产可直接供终端用户使用的部件,以及更加复杂的金属部件制造过程。

ISO/ASTM 52900:2015

该标准建立并定义了增材制造技术使用的术语,它指应用增材成型的原理,由此通过连续添加材料来建立物理三维几何体。现有的术语已经被划分至特定的应用领域,而在IOS/TC 261以及ASTM F42标准下产生的新术语将会被包含在即将修订的国际标准概述中。

ISO/ASTM 52921:2013

该标准包括增材制造技术中的术语、术语的定义、术语的描述、有关坐标系统和测试方法的命名法以及缩写形式,以此来标准化增材制造过程中使用的术语。其应用面涉及增材制造的使用者、生产者、研究人员、教育工作者、媒体工作者及其他领域的人员。涵盖的术语包括机器/系统及其坐标系统的定义以及零件的位置和方向,规定整套系统的目的在于和ISO 841标准相兼容,并阐明这些术语在具体情况下的应用方式。

ISO 17296-2:2015

本标准描述了增材制造的工艺流程基础,同时概述了现有的工艺类别,描述了后续标准的越级原则。由于新技术的不断发展,这些工艺类别并不是详尽无遗的。ISO 17296-2:2015为我们解释了不同的工艺类别,是如何使用不同材料来打造产品的几何结构的。与此同时,它也描述了同一材料在不同工艺中的应用。通过不同工艺组合和原料生产的部分原料以及要求规范将会在随后的标准中单独给出,因此不包括在此标准中

VDI 3405

该标准是针对增材制造工艺的使用者以及生产者制定的。它涵盖了用于增材制造的部件的设计、制造以及评估的考量因素,并定义了其应用范围。该标准详细指明了制造过程中的术语以及定义,主要针对涉及的制造过程中的基本原则。本标准包含相关的质量参数,详细说明了原件测试和供应协议制定的规则。它还包括安全相关、环境相关的内容。由于该指南假定读者对于不同的增材制造过程都有一定的了解,所以整体内容的解释都是点到为止。

数据格式

数据格式的标准化是针对增材制造工艺及相关软件系统的用户和生产者指定的。它适用于任何增材制造工艺,尤其是以下领域:

增材制造系统及工具(包括软件系统)的生产

涉及软件工程师的CAD/CAE系统

逆向工程系统开发人员

需要比较实际几何结构与所需求的几何结构的测试机构

ISO 17296-4:2014

ISO标准17296-4:2014主要适用于增材制造中的数据交换。它规定了增材制造过程中的术语与定义,使得不同过程间描述几何结构、部件的数据能够自由的转换,来保证增材制造可以顺利进行。数据交换方法列举了文件类型、数据封装格式以及其用途。ISO标准 17296-4:2014指定了数据交换中适用的数据格式,介绍了现有的增材制造中3D几何的发展,概述了现有的数据格式,并且保证了国际标准用户的数据交换得以正常进行。

ISO/ASTM 52915:2016

该标准指定了增材制造文件格式(AMF)的规范,AMF是一种用来解决当前以及未来增材制造技术需要的交换格式。一旦满足了本规范的要求,AMF就可以被编写、显示并进行传输。以结构化的电子格式进行编写时,必须严格遵守可拓展标记语言(XML)模式,来支持符合标准的互操作性。但是人们渐渐认识到,本国际标准的现行版本仍旧不能完全涵盖与最后产品有关的其他信息。为确保数据的完整性、电子签名以及加密的安全性,ISO/ASTM 52915:2016不指定任何的显式机制。

图3 两种不同粉末呈现的流动

图4 激光熔凝试样

材料

材料及其标准化对利用增材制造生产的过程的可靠性以及生产组件的可靠性是非常重要的。作为原材料,金属粉末需要经过专门的处理和加工,粉末性能的偏差对加工出的零部件的性能会有着很大的影响。如图3所显示的两种不同粉末所呈现出的不同的流动方式,对于增材制造会有一定的影响。

ASTM F2924-14

该标准适用于采用增材制造生产的titanium-6aluminum- 4vanadium (Ti-6Al-4V)组件,该组件采用全熔粉体熔化成形技术制造,例如电子束熔化和激光熔化。它介绍了1、2、3类零件的组分、原料的分类以及各组分的显微结构。该规范还确定了部件的机械性能、化学成分和最小拉伸性能。

ASTM F3001-14

本标准提出了titanium-6aluminum- 4vanadium (Ti-6Al-4V)组件增材制造的超低间隙要求,(Ti-6Al-4V ELI)组件采用全熔粉体熔化成形技术制造,例如电子束熔化和激光熔化。该标准涵盖了材料、分类排序信息、生产计划、原料、工艺、化学成分、显微组织、力学性能、热处理、热等静压、尺寸和质量、允许偏差、二次测试、检查、废弃物、产品标识、包装和质量计划要求。

ASTM F3055 - 14a

该标准适用于通过增材制造生产的NS N07718(2.4668-NiCr19NbMo)组件,该组件采用全熔粉体熔化成形技术制造,例如电子束熔化和激光熔化。使用这些工艺生产的部件通常用于需要的机械性能类似于机械加工锻件和粗加工产品的应用中,根据本规范制造的零件通常会通过机械加工、磨削、电火花加工、抛光等加工方式来达到预期的表面光洁度和尺寸。

本标准是为增材制造生产的UNS N07718组件的购买者或生产者而提出的,它规定了组件的要求并确保了组件的性能。

ASTM F3056 - 14e1

ASTM F3056 - 14e1标准涵盖了增材制造的UNS N06625 (2.4856 - NiCr22Mo9Nb)元件,使用像电子束和激光融化之类的全粉床融化工艺,这些元件的机械性能通常要求类似于加工锻件和锻轧件,按照该规范所生产出来组件通常(但也并非必须)需要进行后处理,通过机加工、研磨、电火花加工(EDM)、抛光等手段使表面光洁度和严苛的尺寸达到理想状态,目的是为了让购买者或生产者(或两者)使用增材制造的UNS N06625元件来定义需求,以确保元件的属性。

VDI 3405 Part 2.1:2015-07

此项标准是根据标准VDI 3405第2部分进行编译的,涉及到金属零件的电子束熔融增材制造技术,还包括1.2709工具钢(马氏体时效钢)的材料数据。

该标准(VDI 3405 Part 2.1)包含钛合金AlSi10Mg增材制造部件的材料特性数据,经过循环测试而获得。测试程序和方法在VDI 3405 Part 2中描述过。因为所有的程序和方法符合公认的行业标准,将特征值与传统的生产工艺进行比较也是可能的。

测试

关于测试程序,已经发布了几个标准。对不同的增材制造部件进行比较时,基本原则是很重要的。图4显示了为进一步测试设立的范本,由激光熔融生产。ISO/ ASTM 52921:2013标准已经被覆盖在在这篇关于术语的报告中

ASTM F2971 – 13

它描述了一个标准程序,用于报告通过测试或评估增材制造生产样本产生的结果,这种做法为展示AM样本的数据提供了一个通用格式,目的有两个:为报告需求建立进一步的数据,以及为材料属性数字库的设计提供信息。

该标准的设立是因为每种AM方法和每种设备拥有独特的变量,它对报告用于测试、评估的样本在准备、加工和后处理过程中的标准描述至关重要。本标准的目的是为了保证与每个测试或评估的样本相关的材料和加工历史文档保持一致性。文件的细节级别和应用相匹配。

这种做法为材料和加工数据报告建立了最低数据元素需求,目的是:

•将测试样本的描述和测试报告标准化

•将AM材料数据库标准化以协助设计师

•通过测试和评估来增加材料的可追溯性

•获取AM样本性能关系的属性参数,使预测模型和其他计算方法成为可能。

ASTM F3049 – 14

此标准向读者介绍了金属粉末技术,其特性可能对于喷射、定向能量沉积粉末床熔融等基于粉末的增材制造方法有用,它指的是其他、现有的标准,可能适用于对原始粉末以及增材制造使用后的金属粉末处理的描述。

这篇文章的目的是为了给增材制造粉末的买家、供应商或生产商提供现有的标准参考,或者一些现有的也许可以描述出增材制造金属粉末属性的标准。

它将会是未来形成一套专门标准测试方法的起点,将记录下每个单独的属性或属性类别,这对金属增材制造系统和元件的性能来说很重要。虽然这个标准关注的是金属粉末,但涉及的方法也可能适用于非金属粉末。

ASTM F3122 – 14

本标准作为现有标准或现有标准变化形式的一个指导,这种变化可能适用于确定增材制造材料具体的机械性能。

正如一些标准中所指出的,有一些因素可能会影响到报告的属性,包括:材料、材料各向异性、材料制备方法、孔隙度、样品制备的方法、测试环境、样品校准和抓取、测试速度和测试温度。应该把这些因素记录下来,根据实践F2971和引用的标准指导方针,在某种程度上,它们是已知的。

“有一些因素可能会影响到被报告的属性,包括:材料、材料各向异性、材料制备方法、孔隙度、样品制备的方法、测试环境、样品校准和抓取、测试速度和测试温度”

ISO标准17296-3:2014包括了测试增材制造部件的基本原则,它指定了部件的主要质量特性,指定了相应的测试程序,为测试范围、内容以及供货协议提供了建议。

ISO 17296-3:2014

它旨在促进机器制造商、原料供应商、用户、部分供应商和客户对主要质量特性进行沟通,不管增材制造在哪里使用,都适用于这一标准。

VDI 3405 Part 2

它是标准VDI 3405的补充,描述了在不同增材制造方法中使用的种种材料,这个标准覆盖了使用增材技术制造的金属部件测试。

和铸造、铣等传统制造方法一样,增材制造出来的金属部件有一些关键的质量特性,特别是密度、强度、硬度、表面质量、尺寸精度、裂缝去除和结构均匀性,都是增材制造部件需要进行的典型测试。在大规模工业生产的时候,增材制造部件的质量是至关重要的。因此有必要根据统一的标准来规范增材制造的流程,标准化过程测试。

VDI 3405 Part 3:2015-12

除去已经提到的,与AM相关的设计领域也有一些与标准相关的活动,已经发布的一个标准是VDI 3405 Part 3:2015-12,它描述了激光烧结和激光束熔融部件的设计准则,目前ISO在起草的一个标准是“增材制造设计指南”,目前还只是一个草案。

总结

增材制造是一项可以激发创新的技术,在世界范围内一些巨大的投资下,AM正飞速成长。尽管我们对它诸多可能性的探索还处于初期阶段,但为了充分挖掘其潜力,收集可用的知识,相互合作是很有必要的。新的商业模式、先进的生产技术和新服务都在不断涌现,几乎每一个行业都在不同程度上受到了AM的影响,而另一方面,其他的制造方法将与AM共同发展。

另外,新产品设计是可行的,产品设计师基于特定的制造方法来定义产品的具体需求,为了满足像材料特性和质量控制问题等需求,有必要将适当的标准集成于产品的开发过程。标准是技术发展的重要组成部分,不同的国家和国际组织已经出版了一些AM标准,更多的还在路上。

国际合作绝对有益于每个人,相反,相互抵触的标准对谁都没好处,因此制定一个世界通用的标准应该是我们的共同目标,全球性的AM标准路线图可以是一个方向,为了加速一进程,例如现有的可以为AM修改,目前ASTM和ISO已正式建立合作关系,并成功发布了第一套标准,下一步很有可能将 ISO/ASTM 标准转化为CEN标准。

通过ASTM, ISO或者国际标准,更多的专家在做出他们的努力,这是很必要的。

更多信息

本文的基本信息是从发布的标准中获取

更多信息可以从以下列出的网站中获取

www.afnor.org

www.astm.org

www.bsigroup.com

www.cen.eu

www.din.de

www.iso.org

www.unm.fr

www.vdi.de

www.vdma.org

作者

Prof. Dr.-Ing. Frank Petzoldt,

Deputy Director, and Dipl. Ing.

Claus Aumund-Kopp,

Project Leader &Senior Scientist

Fraunhofer IFAM

Wiener Straße 12 28359 Bremen Germany

Tel: +49 421 2246 0

Email: claus.aumund-kopp@ifam.

fraunhofer.de

www.ifam.fraunhofer.de

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