《增材制造 工艺特性和性能 满足关键应用的金属粉末床熔融工艺》编制说明

《增材制造工艺特性和性能满足关键应用的金属材料粉末床熔融工艺要求》团体标准编制说明（征求意见稿）一、工作简况1.任务来源《增材制造工艺特性和性能满足关键应用的金属材料粉末床熔融工艺要求》是2022年第五批中国机械制造工艺协会团体标准制定计划项目（中国工艺协会〔2022〕第24号），项目编号为CAMMT2022-13。由中国机械制造工艺协会提出，由中国机械制造工艺协会标准化工作委员会归口，由全国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC562）牵头组织制定，负责起草单位：中机生产力促进中心有限公司，计划应完成时间2023年。2.主要工作过程预研阶段：全国增材制造标准化技术委员会（以下简称标委会）在全国范围内征集标准起草工作组成员，成立起草工作组，确定工作方案，提出进度安排。经过起草工作组广泛收集资料，对标国际、专家翻译，完成草稿的编制。2022年5月18日，标委会组织召开了《增材制造工艺特性和性能满足关键应用的金属材料粉末床熔融工艺要求》标准讨论会，来自中机生产力促进中心、安徽省春谷3D打印智能装备产业技术研究院有限公司、西北工业大学、西安增材制造国家研究院有限公司、广东汉邦激光科技有限公司等18家单位的24名专家和代表参加了会议。会议围绕标准草案进行了深入讨论，与会专家提出了一系列意见与建议。起草（草案、调研）阶段：计划下达后，工作组在相关企事业单位进行充分调研，对标准内容进行修改并完善。2022年9月22日，标委会在烟台组织召开了标准第二次讨论会，参加会议的有来自中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司、无锡市检验检测认证研究院、西安增材制造国家研究院有限公司等16家单位的24名专家。与会代表对本标准征求意见稿进行了认真、细致的讨论，提出了修改意见及建议。会后，工作组人员根据修改意见进行了修改，于2022年12月6日形成征求意见稿。征求意见阶段：2022年XX月XX日通过电子邮件、网站宣传等方式公开征求意见。截止2022年XX月XX日，收到XX家单位的回函，其中XX家单位提出了XX条意见和建议。工作组针对这些反馈意见进行整理和分析，并与专家沟通，最终全部采纳了XX条、部分采纳XX条、不采纳XX条意见和建议（意见处理详见《团体标准征求意见汇总处理表》）。工作组根据处理意见对标准征求意见稿进行了补充、修改，于2022年XX月XX日形成标准送审稿。审查阶段：XX年XX月XX日，中国机械制造工艺协会标准化工作委员会在全体委员内对标准的制定工作程序和主要技术内容进行了函审（中国工艺协会[2022]第XX号）。截止到XX年XX月XX日，收到回函XX份，提出了XX条意见和建议。工作组针对这些反馈意见进行整理和分析，并与专家沟通，最终全部采纳了XX条、部分采纳XX条、不采纳XX条意见和建议。总体情况：回函数占全体委员的XX%，超过委员总数的3/4；函审意见无重大分歧，采纳意见并经修改后，赞成数占回函数的98%（意见和建议见《团体标准审查意见汇总处理表》），超过回函数的2/3；不赞成数占XX%，低于回函数的1/4；以上符合中国机械制造工艺协会团体标准管理要求，本标准通过审查。报批阶段：工作组按照函审意见对标准送审稿做了进一步的修改、整理和完善，形成了标准报批稿、编制说明及其他相关文件，于2022年XX月XX日报至中国机械制造工艺协会标准化工作委员会。3.主要参加单位和工作组成员及其所作的工作等本标准由中机生产力促进中心有限公司、安徽省春谷3D打印智能装备产业技术研究院有限公司、中机研标准技术研究院（北京）有限公司、XXX共同起草。主要成员：XXX。所作的工作：XXX。4.牵头单位简介本标准牵头单位中机生产力促进中心有限公司,隶属于国务院国资委直接监管的中央大型科技企业集团——机械科学研究总院集团有限公司，是国内最早从事标准化工作的专业科研机构之一，同时是北京市中关村科技园区的高新技术企业、国家重点支持的示范生产力促进中心。承担了SAC/TC562全国增材制造标准化技术委员会等20个全国标准化技术委员会（包括4个分委会）秘书处以及机械工业工艺工装标准化技术委员会等7个行业标准化技术委员会（包括4个分委会）秘书处，业务范围涉及增材制造、机械制图、几何公差、数字化设计及仿真、基础零部件等多个装备制造业基础共性领域。本标准的主要起草单位，已经在增材制造金属粉末床熔融领域精耕多年，拥有深厚的产品生产、检验、维修服务等经验。二、标准编制原则和主要内容1、标准编制原则本标准的起草遵循面向市场、服务产业、自主制定、不断完善的原则。本标准的编写主要遵循了以下原则：——在结构和编写规则上按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草；——在确定本标准主要技术性能指标时，综合考虑生产企业的能力和用户的利益，寻求最大的经济、社会效益，充分体现了本标准在技术上的先进性和合理性。2、标准主要内容本标准规定了金属材料粉末床熔融设备和工艺的相关要求，包括材料确认、原材料和粉末合批、人员要求、鉴定、设备操作系统软件控制、辅助工具与污染、生产计划、外部环境控制以及数字数据配置控制的要求。适用于采用激光或电子束的金属材料粉末床熔融工艺制备零件和测试试样，以及满足航空航天零件、医疗植入物等关键应用零件。1.概述本标准规定了金属材料粉末床熔融设备和工艺的术语和定义、材料确认、原材料和粉末合批、人员要求、鉴定、设备操作系统软件控制、辅助工具与污染控制、生产计划、外部环境控制、数据转换。该工艺方法帮助金属材料粉末床熔融设备的使用者在制备零件和测试试样的过程中用以参考。2.结构说明本标准由范围、规范性引用文件、术语和定义、材料确认、原材料和粉末合批、人员要求、鉴定、设备操作系统软件控制、辅助工具与污染控制、生产计划、外部环境控制、数据转换等12部分组成，其中原材料和粉末合批、鉴定是本标准的核心内容。关于“原材料和粉末合批”：金属材料粉末床熔融工艺过程对原材料有防水、防潮、防污染的要求，金属材料粉末在吸潮后易结块导致流动性变差无法用于生产，另外粉末受污染后易导致产品质量缺陷，所以原材料的包装及储存应做到防受潮、防污染。在金属材料粉末床熔融的工艺中，允许通过粉末再利用来提高其经济性，但使用次数增加会导致粉末的理化性能发生改变，所以应该基于零件的质量要求将使用过的粉末与原始粉末合批使用，粉末合批需要按照GB/TXXXX（计划号：20214876-T-604）的规定执行。本标准将原材料和粉末合批的要求列入是合理的。关于“鉴定”项目标准内容验证情况对比结论成形前检查成形前检查应包括但不限于：a）维护记录；b）原材料用量评估；c）成形基板；d）铺粉机构；e）辅助系统；f）冷却装置温度和传热流体的流动；g）成形室环境；h）外部气体；i）原材料、设备基本参数和工艺参数；j）光束功率验证；k）数字文件、零件取向和位置；l）加工定位块；m）零件排样。调研结果：a）设备定期检查维护并做了相应记录；b）储存和/或出库使用的粉末量足够成形零件对应的铺粉总厚度粉末量；c）成形基板非成形区域和/或侧边钢印有基板材质、匹配设备型号等信息，成形前对基板进行了清洁确保表面无污染物；d）刮刀的材质与所打印粉末相匹配，通常用硅胶、橡胶、碳钎维、陶瓷等材质；e）使用99.99%或99.999%纯度的气源用作保护气体；f）冷却装置常用水冷机，每次成形前都会确保并记录冷却装置的温度；g）成形前会检查设备过滤系统确保运行通畅；h）保护气体的出风口风速依据打印的粉末种类和成形工艺的要求调节；i）对不同原材料进行成形测试，记录并归纳成了成熟的成形工艺参数包；l）对嫁接成形的零件会添加加工定位块；m）成形前会处理模型数据，调整零件摆放、取向本标准将成形前的各项检查要求列入是合理的。定期维护设备应由经过培训的技术人员按照设备制造商建议的频率进行定期维护（例如，至少每六个月或在给定的成形小时数之后）。维护工序应确认各主要设备和设备部件的实际功能和操作中哪些会影响产品质量。包括但不限于：a）激光或电子束功率；b）成形平台上的能量束功率；c）能量束定位验证；d）Z-轴移动；e）刮刀臂和电机；f）压缩空气；g）氧气和真空度；h）激光场准直。调研结果：通常每六个月对设备进行一次检查维护，并记录。在每次的维护工序中，会对以下设备部件检测：a）测试成形平台上激光或电子束的功率和光斑大小，测试的功率通常包括30%、60%、90%、100%；c）测试成形平台上激光束或电子束的位置偏差；d）测试Z轴单层移动距离；e）测试刮刀运动；g）测试氧气和真空度。本标准将定期维护的各项工序列入是合理的。设备、工艺和零件的鉴定7.3.1应制定一份合格生产计划（见第10章），并用于成形鉴定所需试样。一旦验证得到合格成形的结果，用于合格成形的参数将被记录为设备基本参数，并作为后续成形参数（见7.3.3）。7.3.2成形基板：零件制造商应拥有一套成形基板规范，且用于设备的所有成形基板都应符合规范，包括表面粗糙度、平整度和平行度要求。成形基板可能会形成新表面。所有成形基板都应有序列号，至少显示材料信息。化学成分符合工程要求的零件可以使用不同的材料（成形基板与零件）。当零件与成形基板（无支撑结构）直接接触时，应通过适当的工艺（例如，化学工艺或机械工艺）清除零件上的交叉污染区域。7.3.3应根据适当的标准或零件制造商和客户商定的标准来评估测试试样（成形件）的化学成分、微观结构、孔隙率和机械性能。应根据成形件规范中规定的化学成分要求来验证试样的化学成分。零件制造商应根据GB/T228.1（所有部分）的要求，在成形平台至少五个位置上放置并成形拉伸试验坯料和额外的试样，如图1所示。建议在Z方向上成形额外的拉伸试样，但不是必须的。GB/T39254中描述了如何评估使用设备制造的金属材料的机械性能。客户可能需要进行其他合格测试。一经批准，用于成形试样的所有设备参数都应予以固定，以便制定设备基本参数。表明设备符合基本参数的证书应张贴在设备操作员可视的位置，并应在后续所有成形周期中保持有效，直至设备需要新的鉴定：a）如果客户规范中有要求，拉伸试验样品的标距段可保留为原始表面状态，前提是粉末床熔融工艺中没有向标距段添加支撑结构；b）零件制造商和客户对多个能量源系统在成形平台上的一致性的验证方法应达成一致；注：在每个能量源覆盖的每个成形区域测试五个试样的方法已经得到成功应用。c）应将验证件的生产和尺寸测量作为成形质量指标，并作为鉴定程序的一部分。每个生产成形周期中都应有验证件。为了使试样和验证件能够代表后续零件，试样若有任何的后处理（例如热处理），都应与后续零件保持一致。7.3.4如果成形过程中，能量束功率和扫描速度等关键参数发生动态变化（例如，基于零件几何结构或熔池特性的变化），则允许使用与第7章规定的资格鉴定所用不同的参数。这些偏差应根据QMS的要求进行记录。当用于资格鉴定的参数与制造批次中使用的参数之间存在差异时，应根据GB/T288.1中零件几何形状要求，在各成形周期中使用并测试试样。7.3.5制造商应至少每六个月执行一次鉴定程序，或在出现以下情况之一时执行一次：a）可能影响零件质量的设备被移动到新位置，包括在现有设施内重新布置。b）设备被重新校准或维修，维修涉及任何设备部件（例如，激光或电子束传输部件、光学部件、原材料输送部件或平台定位机构）。c）设备软件、操作系统或只读内存被修改、更改、升级或重新安装。e）设备更换材料（例如，从钛基合金到铝基合金，或从镍基合金到钛基合金）。7.3.6鉴定程序完成后，应发放单台设备和工艺的合格证书，并张贴在设备操作人员的视野内。7.3.7单层成形的热量会受到每层的成形区域和成形周期中熔融时间间隔的影响。除根据第7.3.4条和客户特定要求进行的设备和工艺鉴定外，还可能需要进行零件鉴定，包括每个成形周期的零件数量。调研结果：1）将每种原材料能够稳定成形的参数设为了工艺参数包；2）成形基板非成形区域和/或侧边钢印有基板材质、匹配设备型号等信息，基板在每次成形后，都会通过机加工、喷砂等方式，使基板表面粗糙度、平整度、平行度达到下次成形的要求。3）设备每次保养维护后，会做测试试样的微观结构、孔隙率、机械性能等测试，以确保工艺参数包可用于稳定的成形；4）一般不会更改工艺参数包内的能量束功率和扫描速度等参数，如参数有变化，每次变化后会做测试试样的微观结构、孔隙率、机械性能等测试，以确保工艺参数包可用于稳定的成形；5）通常每六个月对设备进行一次检查维护并记录。设备检查维护、设备运输或移动（不包括生产车间内的移动）、设备更换成形材料等可能影响下次成形质量的行为，会做测试试样的测试。本标准将设备、工艺和零件的鉴定列入是合理的。三、主要试验（或验证）情况在本标准的制定过程中，充分考虑了金属材料粉末床熔融工艺过程中的主要工艺过程和关键部件鉴定。同时，为保证本标准工艺方法的合理性和可行性，起草组依据本标准的成形工艺要求开展了成形验证，图示为两家单位验证的成形结果。验证试验结果表明，采用本标准规定的工艺要求适用于金属材料粉末床熔融工艺，本标准规定的工艺要求具有可行性和可操作性。四、标准中涉及专利的情况本标准不涉及专利问题。五、预期达到的社会效益、对产业发展的作用等情况2016-2022年我国金属3D打印行业市场规模处于快速增长态势，年均增长率超过38%，一批专用材料、工艺装备、关键零部件、软件系统等产品实现量产，供给能力不断增强，金属材料粉末床熔融工艺已实现产业化，迫切需要金属材料粉末床熔融工艺相关标准的支撑。金属粉末床熔融技术是金属增材制造领域的重要技术之一,它是在高能量密度激光束照射下，基体表面与根据要加入的合金粉末同时熔融，形成厚度为10～1OOum表面熔化层，快速凝固以满足某一特殊性能要求的工艺方法。而金属粉末通过激光选区熔融技术能够实现很好的制造，已在航空航天零件、医疗植入物等关