3D打印机认证关键特性

3D打印机认证关键特性

钱伟

无锡市产品质量监督检验院江苏无锡214101

行业概况

3D打印机是以数字模型文件为基础，将材料逐层累积制造出实物的一种机器。3D打印技术是先进制造业的重要组成部分，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是大规模批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。近30年来，3D技术在各领域得到了广泛应用，发展迅速。据wohlers报告，2016年全球整个增材制造产业增长17.4%，3D打印机销售收入395亿元，其中桌面3D打印机销售数量42万台，占据销售总量的95%以上；工业3D打印机销售数量1.3万台，销售额140亿元，占总销售收入的80%。

在我国，3D打印作为“工业4.0时代”制造业的代表性技术只用了短短三四年的时间便迅速发展起来，形成了庞大的产业规模，诞生了众多的相关企业。2016年度中国桌面3D打印机的出货量达到全球出货量的一半，显示了中国3D打印产业的技术创新和制造能力。目前，我国的桌面3D打印技术、高分子聚合材料3D打印技术等已经达到国际水平，产品广泛输出欧美发达国家。但是总体而言，我国3D打印产业还处于“跟跑”状态。

3D打印产品分为桌面级和工业级两大类。桌面级3D打印机是3D打印技术的入门阶段产品，成本较低，大多数采用熔融沉积成型工艺（FDM），使用ABS、PLA等塑料线材打印零件，能够直观展示3D打印成形原理，适用于教育培训、创意设计等用途。随着3D打印技术的发展，桌面3D打印机的质量、可靠性和整体性能有了很大提高，使得其也能够应用于一些专业领域。工业级3D打印机主要采用立体光固化（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、激光选区熔化（SLM）、定向能量沉积（DED）等工艺。我国工业类3D打印机刚刚起步，规模及技术水平跟国外相比差距明显。

随着制造业转型升级，3D打印产业呈现爆发式增长，已经成为先进制造业中必不可少的一种支撑力量。3D打印与智能机器人、人工智能产业等成为未来我国高端制造业发展的主流方向，但产业实际还存在核心技术薄弱、标准有待完善、人才及品牌缺乏的问题。其中标准缺乏导致自主品牌的产品质量落后，产需对接过程中矛盾突出，已经成为3D打印机产业持续发展的一大障碍。

认证必要性

根据《2017年度增材制造（3D打印）产品质量安全风险监测分析报告》，2017年抽查的3D打印机在电气安全、机械安全、电磁兼容、软件安全、打印性能及运行稳定性等方面存在较大问题，没有机器完全通过所有检测项目。市场产品性能参差不齐，消费者或采购者缺乏有效参考和技术引导，甚至由于缺乏检验标准和检测手段，部分3D打印机作了虚假或夸大的性能标识，长此以往会严重制约国内3D产业的发展。因此，要建立和完善检测、试验验证、认证认可等公共服务平台，推进第三方检测认证体系的建立和完善，对3D打印机产品实施检测认证进行研究，扶优限劣，提升消费者信心。

国内外3D打印机标准和认证现状

目前国外针对3D打印机并无专门的安全和性能标准。3D打印机如要进入欧盟或北美市场，则必须按照工业机器或机械产品需有CE或FCC标识才能在当地销售。安全认证的标准包括风险评估、功能安全、电气安全、电磁兼容、机械安全等。

表1

此外，对于可能引起爆炸危险的设备应符合UL60079《爆炸性气体环境用电气设备》的要求。

国内3D打印装备的标准主要是针对各种工艺快速成形机床的安全标准和产品标准，有GB25493-2010《以激光为加工能量的快速成形机床安全防护技术要求》；GB26503-2011《快速成形机床安全防护技术要求》；GB20775-2006《熔融沉积快速成型机床安全防护技术要求》；JB/T10624-2006《叠层实体制造快速成形机床技术条件》；JB/T10625-2006《激光选区烧结快速成形机床技术条件》；JB/T10626-2006《立体光固化激光快速成形机床技术条件》；JB/T10627-2006《熔融挤压沉积快速成型机床技术条件》等。但随着技术的进步，这些标准有待完善以更好地适应行业健康发展的需要。

认证关键特性

由于标准的缺位，开展3D打印机第三方认证需制定相应的技术规范。不同种类、不同工艺的打印机有其各自不同的技术特性，其安全要求、性能要求也各不相同。认证机构可根据产品特点、市场需求开展多种形式的认证。从维护消费者和使用者的安全角度，第三方认证可采取安全认证的方式；从帮助消费者区分品质高低，鼓励先进企业的角度，可实行高端品质认证，关键性能指标按一定比例进行分级。

从安全认证的角度，关键安全特性可从风险评估、功能安全、电气安全、电磁兼容、机械安全等方面考虑，从中选择叠加，具体参考标准应依据产品种类而定。例如桌面级3D打印机的电气安全可参考的标准有很多，如GB4793.1，GB4706.1，GB4943.1，GB5226.1等，从产品特性和标准适用性两方面来看可能GB4943.1更合适，涉及到电击、与能量有关的危险、着火、与热有关的危险、机械危险、辐射、化学危险等因素；对于工业级3D打印机其电气安全则应符合GB5226.1标准的要求；对于含有激光器的设备，还应符合相关激光设备的安全要求；对于激光选择性烧结工艺应关注打印过程中的防火防尘问题。基于3D打印机工作特性、工艺特点、使用材料、关键部件的特殊性，在制定技术规范时应明确铭牌内容、必要的警示标志和使用手册或说明书的要求，以明示技术参数并给使用者提供足够的信息避免设备在操作、安装、维修、运输或贮存时引起危险。

从产品性能角度，关键性能参数应根据3D打印设备特点结合消费者的关注点来确定。如成型尺寸是3D打印机的重要参数，而消费者最关心的可能是打印速度、可靠性等。综上，在确定关键性能参数时可考虑加工精度、最大成型尺寸、打印速度、打印可靠性、打印层厚、环境适应性、电源适应性、噪声、无故障运行时间等。可从中选取部分性能进行评测分级，如把指标最优的20%评为A+，其余达标的为A级。通过这样的方法来筛选和甄别优质产品，以便消费者放心选购。

桌面式打印机通过喷头加热、高温熔融、挤出凝固等过程，使热塑性原料沉积在表面以构建3D对象。在这一过程中，热塑性分子会加热分解释放出可挥发物（VOC)和超微粒子(UFP)。国外研究表明，使用ABS线材的FFF打印机超微粒子排放速率最高可达每分钟900亿个，而使用PLA材料的打印机超微粒子排放速率中位数约为每分钟近亿个。这些超微颗粒直径约50-700nm，可渗透到人体肺叶，穿透肺泡，引起呼吸系统疾病；实验发现ABS等线材打印过程中会产生苯乙烯、乙苯、苯甲醛等VOC,一定浓度的苯乙烯会对健康造成危害。同时，研究表明，TVOC浓度达到50-750ppb浓度就会引起头痛、急躁不安或其他严重问题，对人体造成潜在危害。因此对桌面式打印机生产过程中的污染物排放（TVOC和颗粒物）加以限制是必要的，这个健康环保指标应纳入桌面FDM打印机认证技术规范中。对于工业级的3D打印机，其往往有专门的设备来移除在打印过程中释放出来的超细颗粒，目前尚未见这方面的研究。

围绕以上认证关键特性可进一步研究制定相关技术要求和检测方法，形成技术规范作为认证的依据。

展望未来，3D打印技术将不断进步，3D打印机的标准和检测认证体系也将不断推进。在这一过程中，需要优秀的设备制造商、材料制造商、高校科研机构和行业组织共同参与，共同研究。同时应积极关注国外最新科研成果和认证动态，积极参与国际组织，推动中国3D打印行业健康发展。