航空航天增材制造的商业化之路：制定公共标准是“催化剂”

  南极熊导读：众所周知，商业航空业对把握风险的要求非常高。军事和太空系统则不然。在 1940 年至 1970 年的技术革命时代，航空航天引领了各种新型材料和制造系统的发展。例子包括钛、高温合金、单晶熔模铸造、等温模锻、真空电弧重熔，甚至碳纤维复合材料的商业化。每一项都需要大量的经验证实。这些材料鉴定测试成本高昂，进展缓慢——开发一种新型航空航天合金的成本可能在 200 万至 1000 万美元之间，耗时长达 10 年。因此，有的人觉得，航空航天增材制造 (AM) 的商业化进程已经落后，但这是有充分理由的。本文讨论了公共共识标准在促进这一进程中的重要作用。

  自 20 世纪 80 年代以来，西方政府在商业研发 (R&D) 中的作用逐渐减弱。政府资助的工业实验室规模不断缩小，监督管理的机构似乎更注重消费者保护而非研发。大学参与和公共共识标准开发组织 (SDO) 的努力弥补了部分研究不足和知识产权 (IP) 转让。除了监管支持外，美国和欧洲的各 SDO 在全球 AM 工业化中发挥了重要作用。

  SDO 有助于确定保证产品质量和安全。此外，它们通常有助于提高生产效率、促进全球供应链完整性并降低总体项目成本。这些共识文件最终有助于降低在航空航天等风险规避行业采用新材料系统的风险。增材制造也不例外。

  金属增材制造（AM）——尤其是粉末床熔合 (PBF)——本质上很复杂。成功应用于关键应用需要公共和私人利益相关者之间的合作。除了公开的设计手册外，共识标准对这一过程也至关重要。理论上，标准应该提供足够灵活但强大的框架，以确保以较低的成本保持一致的质量和工艺效率。然而，制定高质量标准的过程并非易事。

  公共共识规定要求原始设备制造商 (OEM)（通常控制设计）与其供应商之间共享少数的 IP。蒸蒸日上的增材制造“服务机构”也提供了重要的视角。这些小企业中的许多都拥有打印参数开发、构建布局最大化和零件制造设计 (DfM) 优化方面的独特机构知识。

  共识标准制定流程力求平衡这些不同利益相关者的资源和优先事项。大型 OEM 及其主要供应合作伙伴（即一级供应商与超级二级供应商）拥有充足的资源（合格的人员、设备和程序），而较小的组织（即服务机构和三级机械车间）通常缺乏规模和认证相关的专业相关知识。在管理复杂的工作包时，这可能是一项重大挑战。一个类比是传统的“按规格制造”与“按图制造”招标——通常缺乏工程深度，较小的公司往往更喜欢后者，即更具规范性的合同。

  航空业至少有两种公共机制来促进新材料系统的采用——设计手册和共识标准。两者都定期支持联邦法规。

  20 世纪 30 年代末，美国军方发布了金属手册，最终被称为《金属材料性能开发和标准化/Metallic Materials PropertiesDevelopment and Standardization》（MMPDS，），以及聚合物/复合材料手册/CompositeMaterials Handbook （CMH-17，）。目标是让这些指南成为飞机材料可接受性能的唯一来源。这两本书已成为军用和民用飞机及发动机不可或缺的参考资料。这些书籍定期更新，并提供材料的“允许值”（即性能），这些“允许值”与腐蚀和温度效应等影响因素一起用于计算结构的安全裕度。这是结构设计中的关键过程。

  基于共识的标准是对这些手册中提供的数据的补充。对于增材制造，标准涉及零件生产的全部过程的关键方面，从初始材料处理和材料及工艺控制参数到零件无损评估 (NDE) 和零件鉴定/认证。

  从历史上看，SDO 是工程协会，它们响应了持续而广泛的在竞争前发布技术信息的需求。有几家相关的全球 SDO 参与增材制造。SAE International就是一个例子。自 2015 年增材制造材料委员会成立以来，它已经发布了 38 份文件，另有 50 份文件正在制定中，重点放在资格认证上，以支持全球航空航天业采用增材制造。

  迄今为止，可以说，GE/CFM LEAP 燃油喷嘴尖端仍然是增材制造在航空领域成功应用的最突出例子。这早于大多数增材制造标准和指导文件。因此，开发和验证过程至少在喷嘴的计划投入到正常的使用中 (EIS) 日期之前十年就开始了。随技术的成熟，时间和成本都显著降低。

  随着增材制造有关技术文档的增长，出现了其他几个成功案例。示例包括低压涡轮叶片(GE9X)、发动机外壳(GE 涡轮螺旋桨发动机)、执行器飞行控制装置(利勃海尔的 A380) 和推力反向器级联阵列 (柯林斯航天)。

  使用增材制造制造新部件的商业案例在很大程度上受到新产品发布的影响。这种设计自由对于充分的利用该技术的潜力是必不可少的。然而，新材料系统要经过广泛审查，以保证在设计冻结时正在开发的组件在整个设计寿命（和操作飞机外壳）内具有防故障性能。这必然会增加程序风险。

  △3D 打印柔性轴由七个传统制造的组件整合成一个 3D 打印部件。图片由 Liehberr-Aerospace 提供。

  维护、维修和大修 (MRO) 零件遵循不同的业务案例。这些零件主要由军用替换零件驱动，尤其是对于美国国防部 (DOD) 来说，他们正在努力维护其第四代战斗机和其他飞机。事实上，飞机停飞(AOG) 对军用和商用飞机来说成本都高得令人望而却步。零件过时是一个持续存在的威胁。

  然而，无论在哪种商业情况下，改变材料体系和制造方式都是一项艰巨而冒险的任务。

  在航空领域，增材制造技术在发展过程中仍面临三个基本挑战：零件成本、零件质量的一致性和零件生产速度（即制造产量）。

  专用供应基地仍处于起步阶段。例如，在美国，热情参加航空航天业的金属 PBF 服务机构不到 30 家。只有十几家机构具备航空业的系列化生产资格，这需要强大的质量管理体系(QMS)（例如首件检验和零件存放过程）和所需设施的资质（例如 Nadcap、AS9100）。无论企业类型如何，采用 AM 的核心都是认真的数据管理。

  增材制造的技术数据包 (TDP) 需要明确定义并精心策划，才可以获得认证部件的资格。除了无数的 SDO 分类法之外，美国国家标准与测试研究所 (NIST) 还通过其 FAIR（可查找、可访问、可互操作、可重用）通用数据字典发布了重要指南。这有助于引导公众对话。

  此外，在美国，政府资助的 America Makes 是 AM 研发的公私合作纽带。这与桑迪亚国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和橡树岭国家实验室等美国国家实验室的活动相得益彰。在欧洲，一些政府支持的研究机构致力于进一步推进 AM 研发，包括德国的弗劳恩霍夫研究所、法国的 CETIM 研究所和英国的 MTC。在欧盟治理范围内，有 Clean Sky 等项目支持更广泛的技术开发。然而，AM 的努力不如美国那么有条理。

  仍有几个因素阻碍了增材制造的工业化，尤其是在后冷战市场经济中。最明显的是：a) 数据过剩和学术界对不断分析和优化数据集的需求；b) 长期资金市场在资助研发方面发挥的核心作用及其对健康投资回报率 (ROI) 的急躁；c) 美国和欧洲的制造专业相关知识和基础设施的侵蚀。

  除了公共共识标准外，SAE 还努力减少对增材制造供应商进行资格审核检查的时间和成本。SAE 正在支持威奇托州立大学国家航空研究所 (NIAR) 制定资格预审框架。这项工作利用了 SAE AMS7032（基于熔合的金属增材制造机器资格）以及 SAE 附属的 NADCAP 合格制造商名单 (QML)。

  像“美国制造”这样的公私合作伙伴关系 (PPP) 是促进技术和市场发展的另一种机制。但也许西方社会是时间开始重新审视其在工业材料和制造业研发方面急躁、投资者驱动的投资理论了。工业基础需要时间来发展。

  工业产品开发不太可能再回到 1940 年至 1970 年代的匆忙步伐。不过，以某种方式平衡市场力量可能会推动增材制造走向其商业化的临界点。太空计划的重新兴起，其全新的设计、对新材料的重视以及巨额的预算，也可能起到一定的帮助。