专访Oerlikon增材制造负责人Matthew Donovan：航空航天领域的3D打印实践

Oerlikon作为全球技术与工程集团，服务于航空航天、国防等最高安全要求的行业。增材制造已成为其核心业务板块，公司今年早些时候在美国投资5500万美元建立创新中心与先进零部件生产设施。
 
在本期专家访谈中，我们与Oerlikon增材制造首席工程师Matthew Donovan对话，探讨其如何构建端到端AM生产设施、值得关注的AM趋势，以及标准对行业未来的关键意义。
 

能介绍一下Oerlikon吗？

Oerlikon是全球性企业，在表面解决方案和化纤两大板块均为制造领军者。作为表面解决方案板块一部分，Oerlikon AM提供从金属粉末到原型、批量生产的全套增材制造解决方案。
 

您最初如何接触增材制造？

我的背景是航空航天。加入Oerlikon前，我过去20年主要从事燃气轮机发动机热端部件、燃烧室部件工作。
 
我专注于燃料输送系统，主要服务于航空燃气轮机，也涉及工业燃气轮机和燃料电池重整器。我也参与过与NASA等机构的多项研发项目，积累了在极苛刻环境下使用高强度、耐高温材料的经验。
 
我从制造工程师起步，深入了解零件制造细节，也曾担任质量工程师，对同类部件进行现场调查。
 
2006年我开始接触先进制造，遇到常规工艺无法实现的复杂几何结构和部件。
 
那时我与Morris Technologies合作开发金属3D打印部件，开始利用增材制造开发燃油喷射器组件。
 
多年来我利用增材制造开发了几个部件。在United Technologies工作期间，协助全集团开发和实施AM技术，重点面向飞行认证硬件。
 
在推进这些部件应用过程中，我发现的一个重大缺口是：完全缺乏关于如何制造零件及如何认证的标准。
 

航空航天的大部分成本不一定在于零部件本身，而在于认证。我们必须为制造的每个部件提供完整追溯。为增材制造制定并实施这种追溯标准极具挑战。

2009年左右我开始与ASTM F42合作制定AM标准，参与起草多项标准并担任委员会成员。我与ISO/TC 261和ASTM F42共同编写了激光粉末床熔融金属设计指南ISO ASTM 52911。
 
通过United Technologies的工作，与许多优秀人才合作并获取丰富资源，我们在金属粉末床熔融领域取得多项创新，开发出真正领先的产品。
 

您在Oerlikon的职责是什么？

2017年加入Oerlikon，现任增材制造首席工程师。我的角色重点在于生产就绪型AM金属技术的落地与开发。
 
我们作为表面解决方案集团的初创业务起步，在北卡罗来纳州Huntersville建立新设施，约一年前入驻。
 
这是一座12万平方英尺的设施，目前运行18台金属粉末床系统。现场配备HIP（热等静压）和真空炉，以及后处理、粉末处理和检测能力。
 

目标是将该设施建设为真正的端到端AM生产工作流，掌控供应链每个环节，为客户提供全链路追溯。

 
我的核心职责是设备认证。我与设备OEM紧密合作，负责安装调试、能力认证，以及跨设备的零部件交叉能力验证。
 
由此我们能掌握设备能力、公差与精度，理解不同设备间的差异并进行调优，确保多设备生产同一产品的一致性。
 

标准化一直是热议话题，尤其在航空航天等行业。您参与行业多年，标准化现状如何？

已取得很好的进展。
 
航空航天、医疗、核能、能源等安全关键领域都需要标准。标准的关键价值在于让所有人用同一语言沟通，明确产品能力边界。
 
无标准时，大家虽以相似方式工作，但并不统一。常见同一术语指代不同工艺，或不同术语指代同一工艺。
 
制定标准让全行业用统一语言，明确何为认证构建、原料、设备认证等级等概念。
 
航天领域，若无标准可供认证部件、界定其力学性能、性能公差并追溯至原始批次乃至化学成分，该部件无法装机。
 
AM赋予我们极大的设计制造自由度，能制造常规工艺无法实现的复杂几何，大幅节省重量、时间、材料和成本。
 
但缺点也明显：能造出零件固然好，若无法证明其合格，则毫无价值。
 

标准正是跨越这条红线的关键，让我们能制造、销售零件并将其用于航空航天生产。

因此航空航天标准是实现量产前的关键拼图。
 
多个标准化组织长期深耕此领域。我作为志愿者参与ASTM标准工作约10年，见证了成果。
 
如我所述，我参与了粉末床熔融钛合金首个标准，历时两年多才获批。此后后续标准周期缩短至一半左右。
 
进程正在加速。ASTM近期在阿拉巴马州奥本联合奥本大学成立卓越中心，旨在通过协作伙伴投入定向研发资源，加快标准产出。业界和政府机构广泛合作识别标准缺口，这是推进的必要条件。
 
您可能听说过ANSI路线图，这是业界贡献的优秀文件，识别实现增材制造真正量产需填补的关键缺口。最新版路线图识别出91个缺口，多为标准领域，部分优先级极高。ASTM卓越中心正是用于研发投入以填补这些标准缺口的载体之一。
 
另一领域，SAE International发布了航空材料规范（AMS）。增材粉末床熔融首批标准AMS 7000、7001、7002、7003针对镍基合金625，近期已发布。
 
这些都是扎实成果，已有许多人用于开发生产零件。
 

凭借推广AM的经验，内部整合技术面临哪些挑战？如何应对？

Oerlikon AM旨在提供满足航空航天、医疗等最高要求行业的AM解决方案。
 
我们各设施已具备AS9100（航空航天）、ISO 13485（医疗）等质量体系。但整合实现端到端所需的所有系统仍具挑战，虽有解决方案覆盖部分拼图。
 
我认为没有单一方案覆盖全链路，但有许多优秀工具覆盖特定环节。
 
我们的挑战是识别覆盖供应链不同侧面的方案，引入并整合。
 
例如，有的方案擅长财务库存，但制造工作流薄弱；有的擅长制造计划，却不擅长构建时间估算、物料评审、几何蓝图和3D模型管理。
 
诸多维度需整合为无缝端到端方案，目前仍以人工为主，我们正推动自动化。
 

能分享AM量产的成功案例吗？

未经客户授权无法具体透露，但我们有多个部件已在量产。印象中包括航空航天国防相关部件。
 
其一是某军用直升机任务系统的飞行部件，已量产两年，成功交付200余件。
 
另一地面传感器部件将80个单体集成为整体件，也量产近两年。
 
还有油气和海底勘探领域的量产部件，用于水下机器人，服务于钻探勘探和水下机器人双重场景。
 

未来五年，您如何看待增材制造在技术与行业层面的演进？

未来五年，技术将向多激光系统演进，实现更快成型从而降低部件成本，进一步推动AM部件落地应用。

部件成本是关键因素，激光时间是AM部件成本主驱动。若能在部件中集成更多激光并通过认证，即可更快、更廉价地制造同一部件。
 
另一演进是更好的过程监控系统。目前各厂商有不同方案，虽不错，但尚未达到像我这样的用户在真实生产率下部署所需的能力水平。
 
我期望很快拥有真正的过程内监控，能在成型过程中监测机内状况，在零件出炉前识别问题。
 
理想场景是智能软件能识别问题并配合工程支持实时修正。更理想的是拥有真正稳健、7×24小时无故障运行的设备。
 

有什么让您兴奋的趋势？

我对多项发展充满期待，过程监控系统是其中之一。
 

也有新材料正在开发和发布。我们正开发几种新材料，将使特定客户能制造革命性部件。

 
另一让我兴奋的趋势是全球设备制造商的多元化。早期AM设备主要集中在少数欧洲国家。现在新制造商、新国家涌现，采用差异化、创新方法制造设备。
 
它们降低设备成本，并从行业应用反馈中学习，使设备更易操作。
 
我早期接触这些设备时，它们非常"娇气"，需要大量关注和"照看"，设计也不够面向制造。
 
现在看到更多用户友好性被内置，得益于用户反馈。
 
全球制造商竞争加剧，正推动系统创新、降低成本、提升易用性。
 

Oerlikon未来规划，特别是您负责的设施？

短期目标是完成已采购设备的安装认证。目前18台金属粉末床系统已上线运行，多台在生产硬件。
 
下一步是完成所有材料体系在所有设备上的性能数据集，这极其耗时且昂贵。
 
所幸我们拥有大量材料学、冶金学、工程学经验的优秀人才，我为此深感自豪。
 
另一目标是启动所有其他设备，实现真正的端到端制造生产设施。
 
我们已投入使用HIP炉和真空炉，正在认证中。
 
也引入了CNC设备，还有大量额外炉子和后处理CNC设备待引入。目标是安装、认证并运营整合所有设备，构建完整、协同的制造体系。
 
了解更多Oerlikon信息，请访问：https://www.oerlikon.com/en/