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(duì)把握風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(xiàng)都需要大量的經(jīng)驗(yàn)證實(shí)。這些材料鑒定測(cè)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(wàn)至 1000 萬(wàn)美元之間，耗時(shí)長(zhǎng)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(shí)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(lái)，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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 轉(zhuǎn)讓。除了監(jiān)管支持外，美國(guó)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(xiàng)目成本。這些共識(shí)文件最終有助于降低在航空航天等風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避行業(yè)采用新材料系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。增材制造也不例外。

知識(shí)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(jì)手冊(cè)外，共識(shí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這一過(guò)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(guò)程并非易事。

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

公共共識(shí)標(biāo)準(zhǔn)要求原始設(shè)備制造商 (OEM)（通�？刂圃O(shè)計(jì)）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(jì) (DfM) 優(yōu)化方面的獨(dú)特機(jī)構(gòu)知識(shí)。

共識(shí)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(xiàng)。大型 OEM 及其主要供應(yīng)合作伙伴（即一級(jí)供應(yīng)商和超級(jí)二級(jí)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(jí)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(shí)。在管理復(fù)雜的工作包時(shí)，這可能是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。一個(gè)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(lái)促進(jìn)新材料系統(tǒng)的采用——設(shè)計(jì)手冊(cè)和共識(shí)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(guó)軍方發(fā)布了金屬手冊(cè)，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(cè)/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(lái)源。這兩本書已成為軍用和民用飛機(jī)及發(fā)動(dòng)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(jì)算結(jié)構(gòu)的安全裕度。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵過(guò)程。

基于共識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)這些手冊(cè)中提供的數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。對(duì)于增材制造，標(biāo)準(zhǔn)涉及零件生產(chǎn)過(guò)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(wú)損評(píng)估 (NDE) 和零件鑒定/認(rèn)證。

從歷史上看，SDO 是工程協(xié)會(huì)，它們響應(yīng)了持續(xù)而廣泛的在競(jìng)爭(zhēng)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(gè)例子。自 2015 年增材制造材料委員會(huì)成立以來(lái)，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(diǎn)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(shuō)，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(yàn)證過(guò)程至少在噴嘴的計(jì)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(shí)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(zhǎng)，出現(xiàn)了其他幾個(gè)成功案例。示例包括低壓渦輪葉片(GE9X)、發(fā)動(dòng)機(jī)外殼(GE 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)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(jí)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(jì)自由對(duì)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(guò)廣泛審查，以保證在設(shè)計(jì)凍結(jié)時(shí)正在開發(fā)的組件在整個(gè)設(shè)計(jì)壽命（和操作飛機(jī)外殼）內(nèi)具有防故障性能。這必然會(huì)增加程序風(fēng)險(xiǎn)。

△3D 打印柔性軸由七個(gè)傳統(tǒng)制造的組件整合成一個(gè) 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(dòng)，尤其是對(duì)于美國(guó)國(guó)防部 (DOD) 來(lái)說(shuō)，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(shí)上，飛機(jī)停飛(AOG) 對(duì)軍用和商用飛機(jī)來(lái)說(shuō)成本都高得令人望而卻步。零件過(guò)時(shí)是一個(gè)持續(xù)存在的威脅。

然而，無(wú)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(xiàng)艱巨而冒險(xiǎn)的任務(wù)。

未來(lái)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(guò)程中仍面臨三個(gè)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(guó)，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(yàn)和零件存放過(guò)程）和所需設(shè)施的資質(zhì)（例如 Nadcap、AS9100）。無(wú)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(wú)數(shù)的 SDO 分類法之外，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試研究所 (NIST) 還通過(guò)其 FAIR（可查找、可訪問(wèn)、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(duì)話。

此外，在美國(guó)，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(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的活動(dòng)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(guó)的弗勞恩霍夫研究所、法國(guó)的 CETIM 研究所和英國(guó)的 MTC。在歐盟治理范圍內(nèi)，有 Clean Sky 等項(xiàng)目支持更廣泛的技術(shù)開發(fā)。然而，AM 的努力不如美國(guó)那么有條理。

障礙雖多，但前進(jìn)之路依然漫長(zhǎng)

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

除了公共共識(shí)標(biāo)準(zhǔn)外，SAE 還努力減少對(duì)增材制造供應(yīng)商進(jìn)行資格審查的時(shí)間和成本。SAE 正在支持威奇托州立大學(xué)國(guó)家航空研究所 (NIAR) 制定資格預(yù)審框架。這項(xiàng)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(guó)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(chǎng)發(fā)展的另一種機(jī)制。但也許西方社會(huì)是時(shí)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(dòng)的投資理論了。工業(yè)基礎(chǔ)需要時(shí)間來(lái)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(guò)，以某種方式平衡市場(chǎng)力量可能會(huì)推動(dòng)增材制造走向其商業(yè)化的臨界點(diǎn)。太空計(jì)劃的重新興起，其全新的設(shè)計(jì)、對(duì)新材料的重視以及巨額的預(yù)算，也可能有所幫助。