航空航天增材制造的商業(yè)化之路：制定公共標(biāo)準(zhǔn)是“催化劑”

南極熊導(dǎo)讀：眾所周知，商業(yè)航空業(yè)對把握風(fēng)險的要求非常高。軍事和太空系統(tǒng)則不然。在 1940 年至 1970 年的技術(shù)革命時代，航空航天引領(lǐng)了各種新型材料和制造系統(tǒng)的發(fā)展。例子包括鈦、高溫合金、單晶熔模鑄造、等溫模鍛、真空電弧重熔，甚至碳纖維復(fù)合材料的商業(yè)化。每一項都需要大量的經(jīng)驗證實。這些材料鑒定測試成本高昂，進(jìn)展緩慢——開發(fā)一種新型航空航天合金的成本可能在 200 萬至 1000 萬美元之間，耗時長達(dá) 10 年。因此，有人認(rèn)為，航空航天增材制造 (AM) 的商業(yè)化進(jìn)程已經(jīng)落后，但這是有充分理由的。本文討論了公共共識標(biāo)準(zhǔn)在促進(jìn)這一進(jìn)程中的重要作用。

自 20 世紀(jì) 80 年代以來，西方政府在商業(yè)研發(fā) (R&D) 中的作用逐漸減弱。政府資助的工業(yè)實驗室規(guī)模不斷縮小，監(jiān)管機(jī)構(gòu)似乎更注重消費(fèi)者保護(hù)而非研發(fā)。大學(xué)參與和公共共識標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織 (SDO) 的努力彌補(bǔ)了部分研究不足和知識產(chǎn)權(quán) (IP) 轉(zhuǎn)讓。除了監(jiān)管支持外，美國和歐洲的各 SDO 在全球 AM 工業(yè)化中發(fā)揮了重要作用。

SDO 有助于確保產(chǎn)品質(zhì)量和安全。此外，它們通常有助于提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)全球供應(yīng)鏈完整性并降低總體項目成本。這些共識文件最終有助于降低在航空航天等風(fēng)險規(guī)避行業(yè)采用新材料系統(tǒng)的風(fēng)險。增材制造也不例外。

知識產(chǎn)權(quán)導(dǎo)航

金屬增材制造（AM）——尤其是粉末床熔合 (PBF)——本質(zhì)上很復(fù)雜。成功應(yīng)用于關(guān)鍵應(yīng)用需要公共和私人利益相關(guān)者之間的合作。除了公開的設(shè)計手冊外，共識標(biāo)準(zhǔn)對這一過程也至關(guān)重要。理論上，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該提供足夠靈活但強(qiáng)大的框架，以確保以較低的成本保持一致的質(zhì)量和工藝效率。然而，制定高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的過程并非易事。

△EOS 和 i3DMFG 在 RAPID+ TCT 2024 上達(dá)成交易。

公共共識標(biāo)準(zhǔn)要求原始設(shè)備制造商 (OEM)（通�？刂圃O(shè)計）與其供應(yīng)商之間共享一定數(shù)量的 IP。蓬勃發(fā)展的增材制造“服務(wù)機(jī)構(gòu)”也提供了重要的視角。這些小型企業(yè)中的許多都擁有打印參數(shù)開發(fā)、構(gòu)建布局最大化和零件制造設(shè)計 (DfM) 優(yōu)化方面的獨特機(jī)構(gòu)知識。

共識標(biāo)準(zhǔn)制定流程力求平衡這些不同利益相關(guān)者的資源和優(yōu)先事項。大型 OEM 及其主要供應(yīng)合作伙伴（即一級供應(yīng)商和超級二級供應(yīng)商）擁有充足的資源（合格的人員、設(shè)備和程序），而較小的組織（即服務(wù)機(jī)構(gòu)和三級機(jī)械車間）通常缺乏規(guī)模和認(rèn)證相關(guān)的專業(yè)知識。在管理復(fù)雜的工作包時，這可能是一項重大挑戰(zhàn)。一個類比是傳統(tǒng)的“按規(guī)格制造”與“按圖制造”招標(biāo)——通常缺乏工程深度，較小的公司往往更喜歡后者，即更具規(guī)范性的合同。

公開參考文獻(xiàn)

航空業(yè)至少有兩種公共機(jī)制來促進(jìn)新材料系統(tǒng)的采用——設(shè)計手冊和共識標(biāo)準(zhǔn)。兩者都定期支持聯(lián)邦法規(guī)。

20 世紀(jì) 30 年代末，美國軍方發(fā)布了金屬手冊，最終被稱為《金屬材料性能開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化/Metallic Materials PropertiesDevelopment and Standardization》（MMPDS，https://www.sae.org/publications/books/content/b-991/），以及聚合物/復(fù)合材料手冊/CompositeMaterials Handbook （CMH-17，https://www.sae.org/publications/books/content/r-540.set6/）。目標(biāo)是讓這些指南成為飛機(jī)材料可接受性能的唯一來源。這兩本書已成為軍用和民用飛機(jī)及發(fā)動機(jī)不可或缺的參考資料。這些書籍定期更新，并提供材料的“允許值”（即性能），這些“允許值”與腐蝕和溫度效應(yīng)等影響因素一起用于計算結(jié)構(gòu)的安全裕度。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵過程。

基于共識的標(biāo)準(zhǔn)是對這些手冊中提供的數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。對于增材制造，標(biāo)準(zhǔn)涉及零件生產(chǎn)過程的關(guān)鍵方面，從初始材料處理和材料及工藝控制參數(shù)到零件無損評估 (NDE) 和零件鑒定/認(rèn)證。

從歷史上看，SDO 是工程協(xié)會，它們響應(yīng)了持續(xù)而廣泛的在競爭前發(fā)布技術(shù)信息的需求。有幾家相關(guān)的全球 SDO 參與增材制造。SAE International就是一個例子。自 2015 年增材制造材料委員會成立以來，它已經(jīng)發(fā)布了 38 份文件，另有 50 份文件正在制定中，重點放在資格認(rèn)證上，以支持全球航空航天業(yè)采用增材制造。

當(dāng)前增材制造部件使用案例

迄今為止，可以說，GE/CFM LEAP 燃油噴嘴尖端仍然是增材制造在航空領(lǐng)域成功應(yīng)用的最突出例子。這早于大多數(shù)增材制造標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)文件。因此，開發(fā)和驗證過程至少在噴嘴的計劃投入使用 (EIS) 日期之前十年就開始了。隨著技術(shù)的成熟，時間和成本都顯著降低。

△3D 打印的 LEAP 燃油噴嘴。圖片由GE 提供。

隨著增材制造相關(guān)技術(shù)文檔的增長，出現(xiàn)了其他幾個成功案例。示例包括低壓渦輪葉片(GE9X)、發(fā)動機(jī)外殼(GE 渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī))、執(zhí)行器飛行控制裝置(利勃海爾的 A380) 和推力反向器級聯(lián)陣列 (柯林斯航天)。

使用增材制造制造新部件的商業(yè)案例在很大程度上受到新產(chǎn)品發(fā)布的影響。這種設(shè)計自由對于充分利用該技術(shù)的潛力是必不可少的。然而，新材料系統(tǒng)需要經(jīng)過廣泛審查，以保證在設(shè)計凍結(jié)時正在開發(fā)的組件在整個設(shè)計壽命（和操作飛機(jī)外殼）內(nèi)具有防故障性能。這必然會增加程序風(fēng)險。

△3D 打印柔性軸由七個傳統(tǒng)制造的組件整合成一個 3D 打印部件。圖片由 Liehberr-Aerospace 提供。

維護(hù)、維修和大修 (MRO) 零件遵循不同的業(yè)務(wù)案例。這些零件主要由軍用替換零件驅(qū)動，尤其是對于美國國防部 (DOD) 來說，他們正在努力維護(hù)其第四代戰(zhàn)斗機(jī)和其他飛機(jī)。事實上，飛機(jī)停飛(AOG) 對軍用和商用飛機(jī)來說成本都高得令人望而卻步。零件過時是一個持續(xù)存在的威脅。

然而，無論在哪種商業(yè)情況下，改變材料體系和制造方式都是一項艱巨而冒險的任務(wù)。

未來增材制造零件生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)

在航空領(lǐng)域，增材制造技術(shù)在發(fā)展過程中仍面臨三個基本挑戰(zhàn)：零件成本、零件質(zhì)量的一致性和零件生產(chǎn)速度（即制造產(chǎn)量）。

專用供應(yīng)基地仍處于起步階段。例如，在美國，積極參與航空航天業(yè)的金屬 PBF 服務(wù)機(jī)構(gòu)不到 30 家。只有十幾家機(jī)構(gòu)具備航空業(yè)的系列化生產(chǎn)資格，這需要強(qiáng)大的質(zhì)量管理體系(QMS)（例如首件檢驗和零件存放過程）和所需設(shè)施的資質(zhì)（例如 Nadcap、AS9100）。無論企業(yè)類型如何，采用 ​​AM 的核心都是認(rèn)真的數(shù)據(jù)管理。

增材制造的技術(shù)數(shù)據(jù)包 (TDP) 需要明確定義并精心策劃，才能獲得認(rèn)證部件的資格。除了無數(shù)的 SDO 分類法之外，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與測試研究所 (NIST) 還通過其 FAIR（可查找、可訪問、可互操作、可重用）通用數(shù)據(jù)字典發(fā)布了重要指南。這有助于引導(dǎo)公眾對話。

此外，在美國，政府資助的 America Makes 是 AM 研發(fā)的公私合作紐帶。這與桑迪亞國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室等美國國家實驗室的活動相得益彰。在歐洲，一些政府支持的研究機(jī)構(gòu)致力于進(jìn)一步推進(jìn) AM 研發(fā)，包括德國的弗勞恩霍夫研究所、法國的 CETIM 研究所和英國的 MTC。在歐盟治理范圍內(nèi)，有 Clean Sky 等項目支持更廣泛的技術(shù)開發(fā)。然而，AM 的努力不如美國那么有條理。

障礙雖多，但前進(jìn)之路依然漫長

仍有幾個因素阻礙了增材制造的工業(yè)化，尤其是在后冷戰(zhàn)市場經(jīng)濟(jì)中。最明顯的是：a) 數(shù)據(jù)過剩和學(xué)術(shù)界對不斷分析和優(yōu)化數(shù)據(jù)集的需求；b) 資本市場在資助研發(fā)方面發(fā)揮的核心作用及其對健康投資回報率 (ROI) 的急躁；c) 美國和歐洲的制造專業(yè)知識和基礎(chǔ)設(shè)施的侵蝕。

除了公共共識標(biāo)準(zhǔn)外，SAE 還努力減少對增材制造供應(yīng)商進(jìn)行資格審查的時間和成本。SAE 正在支持威奇托州立大學(xué)國家航空研究所 (NIAR) 制定資格預(yù)審框架。這項工作利用了 SAE AMS7032（基于熔合的金屬增材制造機(jī)器資格）以及 SAE 附屬的 NADCAP 合格制造商名單 (QML)。

像“美國制造”這樣的公私合作伙伴關(guān)系 (PPP) 是促進(jìn)技術(shù)和市場發(fā)展的另一種機(jī)制。但也許西方社會是時候開始重新審視其在工業(yè)材料和制造業(yè)研發(fā)方面急躁、投資者驅(qū)動的投資理論了。工業(yè)基礎(chǔ)需要時間來發(fā)展。

工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)不太可能再回到 1940 年至 1970 年代的匆忙步伐。不過，以某種方式平衡市場力量可能會推動增材制造走向其商業(yè)化的臨界點。太空計劃的重新興起，其全新的設(shè)計、對新材料的重視以及巨額的預(yù)算，也可能有所幫助。