增材制造 多光束粉末床熔融設備技術規(guī)范 編制說明

1《增材制造多光束激光粉末床熔融設備技術規(guī)范》(征求意見一、工作簡況1.任務來源《增材制造多光束激光粉末床熔融設備技術規(guī)范》是2023年第二批推薦性國家標準制修訂計劃項目，項目編號為20230574-T-604。由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出，由全國增材制造標準化技術委員會（SAC/TC562）和全國特種加工機床標準化技術委員會聯(lián)合歸口，負責起草單位：西安增材制造國家研究院有限公司，計劃應完成時間為2024年。2.主要工作過程起草（草案、調研）階段：計劃下達后，全國增材制造標準化技術委員會（以下簡稱標委會）在全國范圍內征集標準起草工作組成員，成立《增材制造多光束激光粉末床熔融設備技術規(guī)范》起草工作組（以下簡稱“工作組”），確定工作方案，提出進度安排。經(jīng)過工作組廣泛收集資料，專家撰寫，完成草稿的編制。同時，全國增材制造標準化技術委員會TC562與全國特種加工機床標準化技術委員會TC161溝通標準項目聯(lián)合歸口事宜，雙方充分發(fā)揮各自專家委員優(yōu)勢，針對標準各階段草案充分征求意見，協(xié)調處理標準研制過程中的意見建議直至完成標準審查，達到相關方對國家標準的協(xié)調一致以體現(xiàn)行業(yè)標準的科學性和廣泛性，達到相關方對行業(yè)標準技術內容的協(xié)調一致。工作組針對目前以激光粉末床熔融工藝的大型多光束金屬增材制造機床的設計和制造要求、技術性能特點及安全質量等現(xiàn)狀，經(jīng)過大量的資料2查證和研究分析工作，確定了標準制定工作方案，在標準起草過程中，工作組成員多次利用網(wǎng)絡、電子郵件等手段進行討論協(xié)商，在標準申報草案的基礎上反復論證并修改。標委會于2023年4月24日在陜西西安召開了第一次標準項目討論會，33家起草單位共38人出草案進行了充分討論，對目標任務進行分解，并形成了一系列意見建議。在此基礎上，牽頭單位帶領標準起草工作組修改完善了技術內容，并組織測試驗證工作。標委會于2024年5月21日在陜西西安召開了第二次標準項目討論會，XX家起草單位共XX人出席了會議，對標準討論稿、編制說明進行了形成了詳細討論，對標準框架和主要技術內容，以及標準中所提要求的依據(jù)、方法的可行性、試驗驗證的關鍵點達成了一致，形成了新的意見建議。會后，工作組結合意見建議對標準草案進行完善，形成征求意見稿，由TC562和TC161分別組織標準征求意見工作。郵件形式，就征求意見稿及編制說明向TC562和TC161全體委員、相關研究單位及社會公開征求意見，共發(fā)函XX名標委會委員及單位。截至2024年X月X日，共收到XX個單位的回函，其中XX個單位提出了XX條意見和建議，工作組針對這些反饋意見進行整理和分析，提出采納或不采納的結論（見《增材制造多光束激光粉末床熔融設備技術規(guī)范》標準征求意見匯總處理表）其中采納XX條、不采納X條、部分采納X條。同時，工作組根據(jù)意見處理結論對標準技術內容進行相應的修改，于2024年X月X日完成征求函審意見。截止到2024年X月X日，收到回函X份，提出了X條意見和建議。工作組針對這些反饋意見進行整理和分析，并與專家溝通，最終全部采納了X條、部分采納、不采納X條意見和建議?？傮w情況：發(fā)出函審單XX份，收到回函XX份?；睾瘮?shù)占全體委員的XX8%，超過委員總數(shù)的3/4；函審意見無重大分歧，采納意見并經(jīng)修改后，贊成XX票，占回函數(shù)的100%（意見和建議見《國家標準審查意見匯總處理表》），超過回函數(shù)法要求，本標準通過審查。報批階段：工作組按照函審意見對標準送審稿做了進一步的修改、整3/4；贊成數(shù)占回函數(shù)的XX%，超過回函數(shù)的2/3；不贊成數(shù)占XX%，低于回函數(shù)的1/4；符合國家標準管理辦法要求，通過投票。工作組按照投票意見對標準送審稿做了進一步的修改、整理和完善，于XX年XX月XX日形成了標準報批稿、編制說明及其他相關文件，報至全國增材制造標準化技術委3.主要參加單位、工作組成員及其所做工作本標準由XXXX單位共同起草。4.起草單位簡介XXXX二、標準編制原則及主要內容;41.標準編制原則本標準按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定進行起草。在編寫標準時，遵循面向市場、服務產(chǎn)業(yè)、自主研制、適時推出、不斷完善的原則，力求與產(chǎn)品研發(fā)、工藝試驗、技術進步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、應用推廣相結合，統(tǒng)籌推進。同時，努力使標準技術內容更加科學、實用，文字表述更加簡潔、清楚，充分體現(xiàn)標準的經(jīng)濟合理性和市場適應性，以便于生產(chǎn)企業(yè)和用戶使用。本標準的編寫主要遵循了以下原則：（1）先進性：本標準結合國內增材制造現(xiàn)狀，起草制定了多光束激光粉末床熔融設備技術規(guī)范，填補了國內空白，對引導和規(guī)范大型金屬打印技術的發(fā)展起到了重要支撐作用。該標準內容的完整性，按需編寫，結構合理、條理清晰、內容全面；（2）協(xié)調性：本標準在結構和編寫規(guī)則上按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草；（3）可操作性：本標準緊緊圍繞多光束激光粉末床熔融設備的各個環(huán)節(jié)而編寫。根據(jù)設備功能特點及使用要求，規(guī)定了多激光束金屬粉末床熔融設備安全防護要求、技術要求和檢驗方法，實用性強。本標準適用于以金屬粉末為成形材料的雙激光束及以上的激光粉末床熔融設備的設計者及其管理者、學習機械設計和計算機輔助設計的學生、增材制造設計和設計指導系統(tǒng)的開發(fā)者。有助于確定在設計項目中利用哪些設計因素或利用哪些增材制造工藝的能力。2.標準主要內容本文件規(guī)定了多激光束金屬粉末床熔融設備的組成，安全防護要求，5技術要求，檢驗方法，標志、包裝、運輸與貯存。適用于以金屬粉末為成形材料的雙激光束及以上的激光粉末床熔融設備。2.1關于第1章“范圍”概括了標準的技術內容，規(guī)定了標準的適用范圍。2.2關于第2章“規(guī)范性引用文件”本標準引用國家標準15項，其中10項推薦性國家標準，3項強制性國家標準，2項行業(yè)標準，均在標準正文的技術內容中有所體現(xiàn)。2.3關于第3章“術語和定義”本標準使用的術語和定義主要引用自GB/T35351《增材制造術語》和GB/T14896.7《特種加工機床術語第7部分：增材制造機床》。2.4關于第4章“機床組成與環(huán)境要求”本章概括性地介紹了設備組成及環(huán)境要求，并以表格的形式介紹了設備組成及功能。主要包括設備的主要組成部分，包括硬件、軟件、傳感器等，規(guī)定各個部分的功能和性能要求，標明設備能夠正常工作的溫度范圍，確定設備在不同濕度和常壓條件下的可靠性和性能，對設備在使用過程中可能遭受的振動進行規(guī)定，以確保設備的穩(wěn)定性。2.5關于第5章“安全防護要求”本章是針對特定產(chǎn)品、系統(tǒng)或服務的安全性方面的規(guī)定。這些要求的目的是確保在使用、維護或操作設備時，人員、環(huán)境和財產(chǎn)都能得到有效的保護，規(guī)定了設備的安全防護要求。針對激光輻射安全防護，規(guī)定了成形室門應有激光安全聯(lián)鎖，確保正常運行時成形室門不能打開；針對設備使用場所的通風性能，規(guī)定了設備周邊宜設置氧氣濃度檢測裝置，避免惰性氣體泄漏造成缺氧事故；針對濾6芯要求，規(guī)定了安全操作規(guī)程，避免著火等風險；規(guī)定了視窗玻璃防護和其他機械安全防護。2.6關于第6章“技術要求”本章主要對設備的各項技術要求進行了統(tǒng)一的規(guī)定，根據(jù)機床生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程的設計要求和機床工作過程中的工藝要求確定以下技術要求，確保產(chǎn)品能夠滿足特定的功能、性能和質量標準。a）規(guī)定了多光束粉末床熔融設備外觀要求。b）規(guī)定了多光路系統(tǒng)要求，即：多光束光斑尺寸、激光功率穩(wěn)定性、多光束拼接精度、光路冷卻。風場均勻性、排煙除塵效果。d）規(guī)定了機械及運動系統(tǒng)要求，即：運動軸數(shù)量、運動軸幾何精度、運動軸定位精度、承重能力要求。e）規(guī)定了電氣及控制系統(tǒng)要求、空運轉試驗要求。成形穩(wěn)定性。2.7關于第7章“檢驗方法”本章對第6章“技術要求”中所有的技術要求指標的檢測方法進行了規(guī)定，根據(jù)機床生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程的檢測試驗方法確定以下內容：a）規(guī)定了檢驗條件。b）規(guī)定了多光束粉末床熔融設備外觀檢驗。c）規(guī)定了光路系統(tǒng)檢驗。即：光斑尺寸檢驗、激光功率穩(wěn)定性檢驗、多光束拼接精度檢驗、激光功率光路冷卻檢驗。7d）規(guī)定了成形室檢驗。即：成形室整體密封性要求檢驗、氧含量控制檢驗、風場均勻性檢驗、排煙除塵效果。e）規(guī)定了機械及運動系統(tǒng)檢驗、電氣及控制系統(tǒng)檢驗、空運轉試驗檢驗。f）規(guī)定了負荷運轉試驗。即：加工精度、最大成形效率、成2.8關于第8章“標志”標志是多光束粉末床熔融設備的標識和標志的規(guī)定，包括標牌、警告標志、包裝標志的要求。2.9關于第8章“包裝、運輸與貯存”規(guī)定了設備在出廠包裝、運輸和貯存過程中所需遵循的要求，以確保產(chǎn)品的完整性和性能不受損。3.解決主要問題本標準具體解決的問題如下：1）針對多光束粉末床熔融設備的性能指標和檢測方法進行規(guī)范性統(tǒng)一要求，不但有利于客戶的選型，把偽劣產(chǎn)品拒之門外，而且有利于生產(chǎn)廠家標準化生產(chǎn)、調試、檢測流程，不斷提高產(chǎn)品質量、控制生產(chǎn)成本，能有效地保證行業(yè)的有序、良性發(fā)展，為高端、大型增材裝備研發(fā)和生產(chǎn)制造提供技術標準基礎，指導增材制造相關工程技術人員有效進行機床的選擇和檢測，為增材產(chǎn)品制備和工藝過程控制提供保障。2）提出了多光束光路系統(tǒng)的技術要求和檢測方法，解決了設備參數(shù)要求及方法不明確的問題，同時增加光路協(xié)同方面的檢驗方法，并提出激光功率在線監(jiān)測系統(tǒng)要求，填補了相關技術空白。8三、試驗驗證情況本標準起草單位涵蓋了多光束激光粉末床熔融設備的制造、使用、檢驗檢測等產(chǎn)業(yè)鏈上的眾多單位，結合起草單位的驗證數(shù)據(jù)和資料完成了本標準草案的編寫。設備組成和設計以及制造和裝配要求主要根據(jù)設備制造商西安鉑力特增材技術股份有限公司、漢邦、廣東漢邦激光科技有限公司、湖南華曙高科技股份有限公司、易加三維增材技術（杭州）有限公司、山東創(chuàng)瑞激光科技有限公司等企業(yè)的實際生產(chǎn)和制造經(jīng)驗編寫。各方在機床設計、機床關鍵部件的生產(chǎn)和裝配、安全防護以及精度檢驗方面均具有豐富的實踐經(jīng)驗。根據(jù)本標準所規(guī)范的技術要求、檢測方法等，能夠為國內增材制造領域生產(chǎn)、應用企業(yè)提供指導，試驗對標準中的檢測方法進行了驗證，證明了規(guī)范的可行性。1.多激光拼接測試方法及精度測試工具：校準紙、基板、二次元等。測試方法：使用校準紙粘貼在校準板上（校準紙粘貼需要無明顯氣泡測量成型缸XY方向中點位置，調整激光1、2位置進行初對中；偏移校準激光1位置后掃描直線，使用二次元測量兩束激光掃描直線夾角，角度值＜0.002為合格；調整兩束拼接激光圖形形狀為“十字”，掃描“十字”后使用二次元標定中心線位置，查看中心線中心距離，偏移距離≤0.02mm。9(粘貼校準紙)(修正后角度)(紅光查看)圖1多光束拼接精度實驗2.刮刀運動精度（1）鋪粉臂對缸面平行度測試測試工具：數(shù)顯千分表測試方法：安裝數(shù)顯千分表在鋪粉臂上測量與缸平面數(shù)值，根據(jù)表格位置測試并記錄當前千分表顯示數(shù)值，要求極限偏差＜40μm。表1鋪粉臂對缸面平行度測試數(shù)據(jù)0極限偏差左邊(讀數(shù)）00.0090.0130.0190.0200.0220.0230.0270.0300.0340.037右邊(讀數(shù)）00.0090.0150.0180.0220.0240.0250.0280.0300.0320.035備注：位置中+Y、-Y分別表示成型缸前半部分與后半部分（前半部分為靠近鋪粉臺位置）檢測器材：數(shù)顯千分表（精度為0.001mm）（2）升降系統(tǒng)垂直度測試測試工具：游標卡尺、數(shù)顯千分表下降實際值，使用游標卡尺進行測量精確小數(shù)點后兩位（不包含基板的高度），要求全行程范圍極限偏差＜100μm。Z軸升降垂直度檢測：固定千分表2升降系統(tǒng)垂直度測試數(shù)據(jù)測試位置（mm）-X讀數(shù)-Y讀數(shù)升降系統(tǒng)00000-0.004-0.003-0.008-0.007-0.017-0.031-0.021-0.025-0.031-0.037-0.042極限偏差(μm）（3）刮刀運動精度測試工具：數(shù)顯千分表測試方法：使用千分表對刮刀不同位置進行測量，記錄各位置高度，計算最大偏差值＜0.05mm。測量位置123456789測量高度0-0.01-0.013.鋪粉厚度誤差測試工具：光柵尺測試方法：升降自帶光柵檢測功能光柵尺精度檢測：測試層厚50μm，測試間隙補償200，層延時500，測試次數(shù)7000，層報警2，累計報警差值15，100mm合理誤差5μm。4.轉軸落粉量檢測及落粉精度開啟程序使轉軸落粉并用A4紙接粉，將A4紙收集的粉末放置在電子秤上進行稱重，連續(xù)采集12次稱重記錄，計算差值絕對值與平均落粉量占比，偏差≤5%為合格。（粉末稱重）5.風場測試方法及誤差（粉末重量計算）測試工具：美紋紙、筆、鋼尺、風速儀。測試方法：使用美紋紙根據(jù)表格縱向位置粘貼，使用鋼尺和比劃分測試點位置，設備除氧風機啟動后，降低艙內壓力值，通過手套箱使用風速儀記錄風場測試點數(shù)值，縱向AVEDEV數(shù)值=0.2為及格，橫向AVEDEV數(shù)值通過驗證，說明本標準涉及的指標，設計合理，代表了行業(yè)水平。四、涉及專利問題的說明本標準不涉及有關專利等知識產(chǎn)權問題。本標準的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。五、預期達到的社會效益、對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用情況本標準所涉及的多光束粉末床熔融設備以其高速成形和卓越的表面質量而脫穎而出，成為當前增材制造領域最迅速發(fā)展和商業(yè)化成功的3D打印設備之一。國內運用這類設備的幾乎100%都是國產(chǎn)設備，目前國內的出貨量已超過萬臺，且逐年增加，具備高利用率和卓越產(chǎn)品質量的特性。在模具、醫(yī)療器械、文創(chuàng)等領域，這一技術有著廣泛的發(fā)展前景。然而，由于多光束粉末床熔融設備技術近年來取得長足進展，國內生產(chǎn)中卻缺乏一個恰當?shù)臉藴?，導致產(chǎn)品質量良莠不齊，為用戶的選型、購買、使用帶來了困擾，不利于該行業(yè)的發(fā)展。多年來，多光束粉末床熔融設備的應用已經(jīng)擴展到增材制造行業(yè)的所有制造商，產(chǎn)量也在逐年增加，提升產(chǎn)品質量迫在眉睫。因此，制定標準將有助于該行業(yè)有序地發(fā)展和競爭。多光束粉末床熔融技術是我國研究較早、技術及應用較為成熟的增材制造技術之一。該技術主要采用粉末材料，通過多束激光照射、熔融成形，逐層固化最終獲得完整的產(chǎn)品。其成形速度快、原型精度高，廣泛應用于工業(yè)設計、模具開發(fā)、生物醫(yī)療等領域，具備顯著的經(jīng)濟效益和發(fā)展?jié)摿?。目前，國內的多光束粉末床熔融設備在各個方面均達到了國際先進水平，并且通過多年的快速發(fā)展，迫切需要建立一套行之有效的標準和規(guī)范，以整合生產(chǎn)廠商和科研院所的研發(fā)力量，