何戈寧，湯華鵬，李 毅，李冬慧，吳 舸，袁 宏

(中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041)

增材制造又被稱作3D打印，是典型的智能制造技術(shù)，被譽為將是引領(lǐng)第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)之一。3D打印這種顛覆性的智能制造技術(shù)可以極大地解放制造工藝對設(shè)計的束縛，加工制造出傳統(tǒng)制造工藝無法制造出的新產(chǎn)品，開發(fā)出性能提升的新材料，實現(xiàn)降低重量、減小體積、提高性能效率等目標(biāo)。作為新興的智能制造技術(shù)，增材制造技術(shù)目前在國內(nèi)的發(fā)展迅猛，在核能行業(yè)預(yù)期也將有著廣泛的發(fā)展應(yīng)用前景。但該技術(shù)的應(yīng)用推廣目前面臨著一個重大問題，即尚未建立完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。包括設(shè)計、原材料、制造工藝、設(shè)備性能、檢驗檢測、數(shù)字化交互與評價等等相關(guān)工作，均缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指導(dǎo)。盡快開展核能行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系研究，系統(tǒng)性地開展標(biāo)準(zhǔn)化工作，已經(jīng)成為推進(jìn)增材制造技術(shù)在核能行業(yè)應(yīng)用的當(dāng)務(wù)之急。

1 增材制造技術(shù)在核能行業(yè)發(fā)展概況

近年來，增材制造技術(shù)在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了系統(tǒng)化的應(yīng)用[1]。核能行業(yè)由于其高安全性、高可靠性的要求以及涉及輻射安全的行業(yè)特點，對產(chǎn)品的設(shè)計、材料、性能、試驗等方面，與常規(guī)民用行業(yè)相比，均有著特殊的要求。雖然針對反應(yīng)堆壓力容器、燃料組件、閥體等部件，已經(jīng)有增材制造技術(shù)的研究嘗試，但總的來說，增材制造技術(shù)在核能行業(yè)的研究及應(yīng)用仍停留在較為初級的階段[2]。2019年，工信部公布了高性能難熔難加工合金大型復(fù)雜構(gòu)件增材制造(3D打印)“一條龍”應(yīng)用計劃，明確了核電領(lǐng)域的應(yīng)用示范產(chǎn)品及企業(yè)?？梢灶A(yù)期，未來增材制造技術(shù)在核能行業(yè)將有更廣泛的應(yīng)用前景。

2 國外增材制造標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

標(biāo)準(zhǔn)化是新技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前提條件。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織以及美國、歐盟等國家/組織，紛紛著手建立各自的增材制造標(biāo)準(zhǔn)化體系。

2.1 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于2011年創(chuàng)建ISO/TC 261增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，ISO/TC 261創(chuàng)建當(dāng)年就與ASTM F42簽署合作協(xié)議，開展增材制造技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化體系構(gòu)建。2013年，ISO/TC 261與ASTM F42共同發(fā)布了“增材制造標(biāo)準(zhǔn)制定聯(lián)合計劃”，2016年，又進(jìn)行了修訂更新。基于該計劃，梳理出了增材制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行動態(tài)更新。ISO/ASTM 增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系分為總體標(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)、裝備/工藝標(biāo)準(zhǔn)以及制品標(biāo)準(zhǔn)4大部分[3]。

截至目前，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)已有15項標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，31項標(biāo)準(zhǔn)正在制定中。

2.2 美國

2017年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)化研究院(ANSI)與美國制造(America makes，前身是美國增材制造創(chuàng)新研究所)合作成立了標(biāo)準(zhǔn)化工作聯(lián)合體(AMSC)，研究并發(fā)布了美國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。2018年，又對該線路圖進(jìn)行了升版[4]。路線圖提供了美國當(dāng)前增材制造的標(biāo)準(zhǔn)化全景圖象，將標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)分為設(shè)計、過程與材料、資格與認(rèn)證、無損檢測、維護(hù)保養(yǎng)5大部分，并針對下一階段研究計劃給出了建議。

美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)是最早成立的增材制造技術(shù)委員會的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會組織，其增材制造標(biāo)準(zhǔn)化專委會ASTM F42成立于2009年。目前已建成一級子標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員9個，2級子標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員十余個，發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)數(shù)十項。

美國的一些特殊行業(yè)，如美國國家航空航天局(NASA)、美國汽車工程師學(xué)會(SAE)、美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)等，也根據(jù)行業(yè)特點完成了相關(guān)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化的布局工作。

美國國防部于2016年發(fā)布了增材制造路線圖，全面布局增材制造研究[5]。目前已發(fā)布了美國軍標(biāo)MIL-STD-3049，規(guī)定了采用金屬直接沉積進(jìn)行修復(fù)的技術(shù)要求。

2.3 歐盟

歐盟對增材制造的標(biāo)準(zhǔn)化工作也非常重視，聯(lián)合了ISO TC261，ASTM F42以及增材制造企業(yè)在內(nèi)的多方力量，于2013年啟動了SASAM項目，并于2014年發(fā)布了增材制造的標(biāo)準(zhǔn)路線圖。與ISO類似，SASAM項目也將標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)分為總體標(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)、裝備/工藝標(biāo)準(zhǔn)以及制品標(biāo)準(zhǔn)4大部分[6]。目前，基于SASAM項目已經(jīng)有一系列標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。

3 國內(nèi)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

3.1 國家標(biāo)準(zhǔn)

2014年，我國加入ISO增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，成為其成員國；2016年全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC562)成立，在國家層面上開展增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作。但截至目前，國家層面的標(biāo)準(zhǔn)化體系框架仍在醞釀中。

目前通過該技術(shù)委員會發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)共有7項(見表1)，涉及增材制造術(shù)語、文件格式、工藝和材料分類、主要特性和測試方法等方面。正在編制的國家標(biāo)準(zhǔn)共有17項。

從目前正在開展的標(biāo)準(zhǔn)化工作可以看出，由于標(biāo)準(zhǔn)化體系框架的缺乏，目前的標(biāo)準(zhǔn)化工作更多是消化吸收國外標(biāo)準(zhǔn)而得，缺乏對技術(shù)發(fā)展趨勢的預(yù)測和考慮。對增材制造產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用極為關(guān)鍵的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、無損檢測標(biāo)準(zhǔn)尚屬空白。導(dǎo)致國內(nèi)增材制造產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，市場秩序混亂，這在很大程度上阻礙了我國增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7]。

表1 增材制造國家標(biāo)準(zhǔn)(已發(fā)布)Table 1 National standards for additive manufacturing (issued)

3.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

考慮不同行業(yè)的特殊性要求，布局增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是推進(jìn)增材制造技術(shù)在特殊行業(yè)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的助推器。2020年3月，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會、工信部等6部門聯(lián)合印發(fā)《增材制造標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動計劃》，部署推進(jìn)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作，特別指出要推進(jìn)航空航天、核能等領(lǐng)域等特殊行業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

目前國內(nèi)航空、航天領(lǐng)域，已著手推進(jìn)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作，目前正在針對航天領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系框架及路線圖開展研究。

在核能領(lǐng)域，2016年成立了核能行業(yè)3D打印技術(shù)工作組，但截至目前，尚未開展系統(tǒng)性的標(biāo)準(zhǔn)研究，也沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，研究工作缺乏系統(tǒng)布局，推進(jìn)較為緩慢。

4 核能行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)建議

綜合上文的調(diào)研可見，目前核能行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作相對落后，某種程度上已成為影響增材制造這一顛覆性創(chuàng)新技術(shù)在核能行業(yè)廣泛應(yīng)用的限制因素，本文提出核能行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)建議。

4.1 基本原則

基于當(dāng)前核能行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立的現(xiàn)狀，結(jié)合國家層面的增材制造標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)的情況，參考借鑒國外增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架和構(gòu)成要素，并考慮國家的核安全監(jiān)管的相關(guān)要求以及核能行業(yè)的特殊要求和工程實踐，構(gòu)建一個相對完善的核能行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系，并以此為基礎(chǔ)后續(xù)大力推進(jìn)核能行業(yè)增材制造的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

建議在全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC562)下增設(shè)核能行業(yè)分技術(shù)委員會，統(tǒng)籌核能行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)框架體系

作為典型的智能制造技術(shù)，增材制造具有非常顯著的多學(xué)科交叉的技術(shù)特點，需要綜合考慮增材制造產(chǎn)品的設(shè)計、材料、工藝、設(shè)備、后處理、檢驗檢測、數(shù)字化/智能化交互等多種因素。

因此，所建立的核能行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)該是一個包含多層次、多學(xué)科領(lǐng)域，覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈、產(chǎn)品全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)體系。借鑒國外已有的工作，提出了核能行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架(見圖1)。本文還對框架中不同標(biāo)準(zhǔn)化對象在核能行業(yè)應(yīng)用以及要求的特殊性進(jìn)行了梳理。

圖1 核能行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架Fig.1 Additive Manufacturing Standards Structure in nuclear power industry

4.3 標(biāo)準(zhǔn)化路線圖

在所建立的核能行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架中，如設(shè)計、材料、檢驗試驗等領(lǐng)域，由于核能行業(yè)的技術(shù)特殊性較高，需要考慮單獨建立適用于核能行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)(如圖1中，核能行業(yè)特殊性高、中的領(lǐng)域)，并建立標(biāo)準(zhǔn)需求清單。標(biāo)準(zhǔn)體系框架中其他領(lǐng)域，如通用技術(shù)、3D打印工藝、3D打印裝備等，這些領(lǐng)域核能行業(yè)的技術(shù)特殊性較弱，可以研究通用的國家標(biāo)準(zhǔn)是否在這些領(lǐng)域可以直接適用，并給出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)清單或標(biāo)準(zhǔn)制定需求(通用的國家標(biāo)準(zhǔn)缺少的)。梳理完成后，形成結(jié)構(gòu)化的核能行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)成清單，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)制定的成熟度和需求的緊迫性，建立核能行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。

5 結(jié)語

作為顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)，增材制造預(yù)期將成為我國實現(xiàn)創(chuàng)新突破、彎道超車的關(guān)鍵領(lǐng)域。這就需要我們結(jié)合我國核能行業(yè)實際情況及應(yīng)用需求，匯聚各方力量，盡快在核能行業(yè)系統(tǒng)性的開展增材制造標(biāo)準(zhǔn)化布局，建立核能行業(yè)增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系，為增材制造技術(shù)在核能行業(yè)的的發(fā)展提供有效的規(guī)范、支撐和引領(lǐng)。