《仿生梯度結(jié)構(gòu)增材制造工藝規(guī)范》（征求意見稿）

XXXXX

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

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XXXXXXX—xxxx

仿生梯度結(jié)構(gòu)增材制造工藝規(guī)范

Processspecificationforadditivemanufacturingof

biomimeticgradientstructures

（征求意見稿）

山東省特種設(shè)備協(xié)會(huì)發(fā)布

目次

1范圍...............................................................................................................................................2

2規(guī)范性引用文件............................................................................................................................2

3術(shù)語和定義....................................................................................................................................3

4縮略語...........................................................................................................................................4

5基本規(guī)定........................................................................................................................................4

6仿生梯度結(jié)構(gòu)增材制造模型設(shè)計(jì).................................................................................................4

6.1仿生原型數(shù)據(jù)獲取.....................................................................................................................4

6.2增材制造模型構(gòu)建.....................................................................................................................4

6.3增材制造模型優(yōu)化.....................................................................................................................5

7仿生梯度結(jié)構(gòu)增材制造工藝規(guī)程.................................................................................................5

7.1設(shè)備和原材料.............................................................................................................................5

7.2增材制造工藝過程.....................................................................................................................5

7.3后處理........................................................................................................................................6

8質(zhì)量檢測........................................................................................................................................6

8.1成形精度.....................................................................................................................................6

8.2收縮率........................................................................................................................................6

8.3孔隙率........................................................................................................................................6

8.4密度............................................................................................................................................6

8.5力學(xué)性能.....................................................................................................................................6

8.6服役性能.....................................................................................................................................7

I

仿生梯度結(jié)構(gòu)增材制造工藝規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了仿生梯度結(jié)構(gòu)增材制造的基本原則、模型設(shè)計(jì)、工藝規(guī)程和質(zhì)量檢測

等。

本文件適用于采用增材制造技術(shù)制備的仿生梯度結(jié)構(gòu)。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注

日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版

本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T34515-2017增材制造工程技術(shù)人員職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T37698-2019增材制造設(shè)計(jì)要求、指南和建議

ISO/ASTM52910-2017增材制造設(shè)計(jì)指南

GB/T42441-2023仿生學(xué)仿生材料、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件

GB/T37402-2019仿生學(xué)—仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化

GB/T39331-2020增材制造數(shù)據(jù)處理通則

GB/T39329-2020增材制造測試方法標(biāo)準(zhǔn)測試件精度檢驗(yàn)

GB/T1804一般公差未注公差的線性和角度尺寸的公差

GB/T10610產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu)輪廓法評(píng)定表面結(jié)構(gòu)的規(guī)則和方

法

GB/T14896.7特種加工機(jī)床術(shù)語第7部分:增材制造機(jī)床

GB/T24734.1技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則第1部分:術(shù)語和定義

GB/T35351增材制造術(shù)語和定義

GB/T33538增材制造術(shù)語-材料

GB/T34656增材制造金屬材料機(jī)械性能試驗(yàn)方法

GB/T34657-2017增材制造金屬材料微觀結(jié)構(gòu)表征方法

GB/T34658-2017增材制造金屬材料熱性能試驗(yàn)方法

ISO/ASTM52921增材制造術(shù)語-熱塑性材料

GB/T34589增材制造術(shù)語-醫(yī)用生物模型制作

GB/T34664增材制造-聚合物材料微觀結(jié)構(gòu)表征方法

2

GB/T1033塑料非泡沫塑料密度的測定

ISO18459:2015Biomimetics-Biomimeticstructuraloptimization

ASTMF2792-12(2018)StandardTerminologyforAdditiveManufacturing

Technologies

ISO/ASTM52900:2015StandardSpecificationforAdditiveManufacturing–General

Principles–Terminology

ISO/ASTM52910:2019StandardSpecificationforAdditiveManufacturing–Polymer

FilamentExtrusion(FusedFilamentFabrication)–MaterialExtrusion

ISO/ASTM52911:2019StandardSpecificationforAdditiveManufacturing–Polymer

PowderBedFusion–MaterialExtrusion

3術(shù)語和定義

3.1增材制造：additivemanufacturing

增材制造，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)逐層構(gòu)建對象，通過材料堆積

的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒?/p>

3.2增材制造設(shè)備：additivemanufacturingmachine

增材制造系統(tǒng)中用以完成零件或?qū)嵨锷a(chǎn)過程中一個(gè)成形周期的必要組成部分,包括硬

件、設(shè)備控制軟件和設(shè)置軟件。

3.3材料擠出：materialextrusion

將材料通過噴嘴或孔口擠出的增材制造工藝。典型的材料擠出工藝如粉末擠出打印

PowderExtrusionprinting(PEP)、熔融沉積成形(FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM)等。

3.4增材制造材料：additivemanufacturingmaterial

在材料擠出工藝中，線材或膏體通過噴嘴擠出，以逐層疊加的方式制造零件或?qū)嵨?。擠

出材料可使用膠合物、聚合物、陶瓷、金屬、有機(jī)硅等各種材料。

3.5仿生原型：bionicprototype

增材制造過程中，被模仿制造的生物體對象。傳統(tǒng)意義上的技術(shù)材料往往是均質(zhì)的，具

有各向同性的屬性。技術(shù)材料的性能幾乎決定于化學(xué)成分，而仿生原型是生物體，具有

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和成分組成，性能則取決于變化的結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料屬性。

3.6仿生梯度結(jié)構(gòu)：bionicgradientstructure

受生物特性的啟發(fā)或者模擬生物的特性而開發(fā)的具有生物體特征的結(jié)構(gòu)。

3.7梯度過渡：gradienttransition

化學(xué)、物理或性能的持續(xù)變化，具有方向性。

3

3.8缺陷：defect

增材制造模型中的孔洞、裂紋、尖銳物等缺陷。

3.9粗糙度：roughness

仿生梯度結(jié)構(gòu)表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。

3.10成型精度：moldingprecision

仿生梯度結(jié)構(gòu)的尺寸測量值與理論值之間的差值。

3.11收縮率：shrinkingpercentage

增材制造零件與后處理零件尺寸之差的百分比。

4縮略語

下列縮略語適用于本文件。

CT計(jì)算機(jī)斷層掃描(computedtomography)

MRI磁共振成像(magneticresonanceimaging)

IGES初始化圖形交換格式(theinitialgraphicsexchangespecification)

MJP多噴頭打印成型(multi-Jetprinting)

STL三角面片格式(stereolithographic)

STEP產(chǎn)品模型交換格式(standardfortheexchangeofproductmodeldata)

XAFS同步輻射X射線吸收譜(X-rayabsorptionfinestructure)

5基本規(guī)定

5.1應(yīng)遵循GB/T37698-2019的要求，確保仿生梯度結(jié)構(gòu)增材制造工藝的規(guī)范性。

5.2應(yīng)規(guī)定滿足本標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施要求的人員職責(zé)和權(quán)限，應(yīng)按照GB/T34515-2017的適用條

款安排人員，人員包括但不限于技術(shù)、生產(chǎn)和質(zhì)量管理部門的負(fù)責(zé)人和操作人員、增材

制造設(shè)備操作和維護(hù)人員、工程師、設(shè)備制造商等。

6仿生梯度結(jié)構(gòu)增材制造模型設(shè)計(jì)

6.1仿生原型數(shù)據(jù)獲取

仿生原型大多為合成物質(zhì)，性能紛繁多樣，因此有必要進(jìn)行具有針對性的分析。將

生物系統(tǒng)的性能總結(jié)為8類：(1)材料、(2)加工、(3)自再生性、(4)傳感特性、(5)流體動(dòng)

力學(xué)、(6)節(jié)能/節(jié)源、(7)對環(huán)境的適應(yīng)性、(8)行為/生態(tài)保護(hù)，依據(jù)ISO18457-2016對仿

生原型進(jìn)行成分、結(jié)構(gòu)、性能的測量和表征，獲取仿生原型數(shù)字化數(shù)據(jù)。

6.2增材制造模型構(gòu)建

6.2.1將獲取的仿生原型數(shù)字化數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維逆向軟件先擬合生成STL格式，轉(zhuǎn)

4

化為可編輯和計(jì)算分析的幾何參數(shù)格式，可保存為STEP、IGES格式的仿生原型模型文

件。

6.2.2將仿生原型模型文件導(dǎo)入三維建模軟件中進(jìn)行噪點(diǎn)消除和缺陷修復(fù)，并進(jìn)行

結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

6.2.3三維設(shè)計(jì)建模軟件應(yīng)具備2D和3D視圖，可以隨時(shí)查看定制件的設(shè)計(jì)建模

情況，應(yīng)能夠進(jìn)行線、面、體的增加、刪除和編輯處理，具備長度和角度等定量測評(píng)功

能，便于模型的設(shè)計(jì)和修改，獲得增材制造模型數(shù)據(jù)。

6.2.4增材制造模型建模完成后，宜保存或?qū)С鰹镾TEP、IGES等有限元模擬軟件

識(shí)別的格式，以便于后續(xù)的有限元模擬優(yōu)化分析。

6.3增材制造模型優(yōu)化

6.3.1將獲取的增材制造模型導(dǎo)入有限元模擬軟件中，建立具有材料、結(jié)構(gòu)和性能

屬性的仿生原型結(jié)構(gòu)的有限元模型。

6.3.2可參考GB/T37402-2019進(jìn)行增材制造模型的仿生梯度結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對

不同仿生梯度結(jié)構(gòu)的服役條件及性能需求，優(yōu)化仿生梯度結(jié)構(gòu)打印模型的材料、結(jié)構(gòu)和

性能，構(gòu)建具有材料梯度和結(jié)構(gòu)梯度的增材制造模型。

6.3.3為滿足增材制造工藝需要，優(yōu)化設(shè)計(jì)的增材制造模型結(jié)構(gòu)和成分應(yīng)具有梯度

過渡特征，具體分為結(jié)構(gòu)梯度模型和成分梯度模型。

7仿生梯度結(jié)構(gòu)增材制造工藝規(guī)程

7.1設(shè)備和原材料

7.1.1設(shè)備

增材制造設(shè)備應(yīng)滿足GB∕T41508-2022要求，應(yīng)具有至少三個(gè)噴頭用于材料擠出，

進(jìn)行材料梯度構(gòu)建。增材制造設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，噴頭溫控-20-300°C、三軸重復(fù)

定位精度±5μm、出絲直徑范圍25-800μm。

7.1.2原材料：

原材料為：粉末（金屬、陶瓷、高分子）、粉末混合物、液態(tài)粘結(jié)劑、交聯(lián)劑。

7.2增材制造工藝過程

7.2.1增材制造模型的文件格式應(yīng)適用于所用的增材制造設(shè)備。開始制造前，將增

材制造模型導(dǎo)入增材制造設(shè)備的控制軟件中，進(jìn)行增材制造模型的切片處理、材料分配

和路徑規(guī)劃。

7.2.2根據(jù)增材制造模型材料和結(jié)構(gòu)的梯度特征，通過多噴頭裝載不同材料構(gòu)建材

5

料梯度，路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)梯度。根據(jù)增材制造模型特征，在控制軟件中設(shè)置增材制造

過程中的相關(guān)參數(shù)，主要包括：成形溫度、擠出路徑、擠出速度、擠出噴頭直徑、分層

厚度、成型室溫度、成形平臺(tái)溫度、擠出噴頭或成形平臺(tái)移動(dòng)速度。

7.2.3每次成形前應(yīng)對擠出噴頭、成形平臺(tái)進(jìn)行清潔和維護(hù)，加載材料，并將設(shè)備

調(diào)試到待打印狀態(tài)。

7.2.4增材制造工藝過程可參考GB/T39328-2020要求進(jìn)行，推薦使用設(shè)備出廠自

帶的工藝參數(shù)，或使用通過試驗(yàn)得出的工藝參數(shù)，操作時(shí)應(yīng)遵守設(shè)備操作規(guī)定，安排安

全員進(jìn)行保護(hù)及監(jiān)督。

7.3后處理

后處理很大程度取決于工藝和材料，如果使用支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)移除，可通過

去毛刺、手工打磨等機(jī)械方式去除多余的材料。如果進(jìn)行陶瓷材料擠出，通常將零件真

空干燥后進(jìn)行熱處理，熱處理溫度及制度依據(jù)材料屬性而定。如果進(jìn)行高分子材料熔融

擠出，通常將零件去除支撐即可，無需進(jìn)行后續(xù)處理過程。如果進(jìn)行金屬材料擠出，通

常將零件真空干燥后進(jìn)行熱處理，熱處理溫度及制度依據(jù)材料屬性而定，最后，最終成

形零件可能需要進(jìn)行機(jī)械加工、研磨、噴涂或其他操作。因此后處理的具體方式取決于

工藝和材料，因此后處理方法根據(jù)具體情況和要求確定。