Interview met Oerlikons AM-leider Matthew Donovan over 3D-printing in de Luchtvaart

Oerlikon, een wereldwijde technologie- en engineeringgroep, bedient enkele van de meest veiligheidskritische industrieën, waaronder luchtvaart en defensie. Additive manufacturing is steeds meer een sleutelonderdeel van hun aanbod, met de oprichting van een $55 miljoen Innovation Hub & Advanced Component Production-faciliteit in de VS eerder dit jaar.
 
In deze Expert Interview spreken we met Matthew Donovan, Principal Engineer voor Additive Manufacturing bij Oerlikon, over hoe het bedrijf een end-to-end AM-productiefaciliteit ontwikkelt, spannende AM-trends en waarom standaarden cruciaal zijn voor de toekomst van de industrie.
 

Kunt u vertellen over Oerlikon?

Oerlikon is een wereldwijd bedrijf en een productieleider in zowel de Surface Solutions- als Manmade Fibers-segmenten. Deel van het Surface Solutions-segment, biedt Oerlikon AM additive manufacturing-oplossingen, van metalen poeders tot prototyping en serieproductie.
 

Hoe bent u betrokken geraakt bij additive manufacturing?

Mijn achtergrond ligt in de luchtvaart. Voor mijn komst bij Oerlikon besteedde ik de laatste 20 jaar aan gasturbine-motoren, warmte-sectiecomponenten en verbrandingssectiecomponenten.
 
Ik heb ervaring met brandstofleveringssystemen, voornamelijk voor luchtvaart-gasturbines, maar ook voor industriële gasturbines en brandstofcel-reformers. Ik heb ook aan diverse R&D-projecten gewerkt met NASA en andere bedrijven. Dus ik heb ervaring met hoogsterkte, hoge-temperatuur materialen voor veeleisende omgevingen.
 
Ik begon als productieingenieur, leerde de ins en outs van het fabriceren en bouwen van onderdelen en werkte als kwaliteitsingenieur met veldonderzoeken voor dezelfde componenten.
 
Ik begon in 2006 met geavanceerde productie. Ik kwam uitdagende geometrieën en componenten tegen die we niet met conventionele productie konden maken.
 
Op dat moment werkte ik met Morris Technologies aan metalen 3D-geprinte componenten. We begonnen met het ontwikkelen van componenten voor brandstofinjectors met behulp van additive manufacturing.
 
Over de jaren heb ik een paar componenten ontwikkeld met additive manufacturing. Ik werkte voor United Technologies, waar ik het hele bedrijf hielp bij het ontwikkelen en implementeren van AM-technologieën, met name gericht op vliegcertificeringshardware.
 
Terwijl we werkten aan de implementatie van deze componenten, ontdekte ik een van de grootste hiaten: een complete afwezigheid van standaarden over hoe onderdelen te maken en hoe ze te certificeren.
 

Een groot deel van de kosten in de luchtvaart zit niet per se in de componenten zelf, maar in de certificering. We moeten volledige traceerbaarheid bieden voor elk onderdeel dat we maken. Het ontwikkelen van standaarden voor hoe we dat doen en implementeren voor additive was een grote uitdaging.

Ik begon in 2009 met AM-standaarden bij ASTM F42. Ik heb aan enkele standaarden meegewerkt en zat in een paar commissies. Ik co-auteurde de ontwerpgids voor metalen poederbedfusie door laser, ISO ASTM 52911, met ISO/TC 261 en ASTM F42.
 
Door dat werk met United Technologies, samen met veel getalenteerde mensen en toegang tot geweldige bronnen, konnten we diverse innovaties bedenken en echt toonaangevende producten ontwikkelen voor AM metalen poederbed.
 

Wat behelst uw rol bij Oerlikon?

Ik begon in 2017 bij Oerlikon, en mijn rol is nu Principal Engineer voor AM. Mijn rol is sterk gericht op de implementatie en ontwikkeling van productieklare AM-metalentechnologieën.
 
We begonnen als een start-up-afdeling van de Surface Solutions Group. We hebben een nieuwe faciliteit in Huntersville, North Carolina, gebouwd, waar we iets minder dan een jaar geleden naar toe verhuisden.
 
Het is een faciliteit van 120.000 vierkante voet die momenteel 18 metalen poederbedsystemen exploiteert. On-site hebben we HIP (Hot Isostatic Pressing) en vacuumoven, evenals post-verwerkings-, poederafhandelings- en inspectiemogelijkheden.
 

Het doel is om deze faciliteit te vestigen als een echte end-to-end AM-productieworkflow, met controle over elk aspect van de toeleveringsketen, zodat we traceerbaarheid voor onze klanten kunnen bieden.

 
Mijn rol daarin is voornamelijk machinecertificering. Ik werk nauw samen met machine-OEM's over de installatie en kwalificatie van onze machines en het laten certificeren van hun capaciteit en cross-capaciteit voor componenten over verschillende machines.
 
We zijn dan in staat de machinecapaciteiten, de tolerantie en de precisie van een individuele machine om de geometrische tolerantie van een AM-component te produceren en de verschillen tussen onze machines te begrijpen en ze af te stellen zodat we hetzelfde product over meerdere machines kunnen leveren.

Standaardisatie is een groot gespreksonderwerp, vooral voor industrieën als de luchtvaart. Hoe zijn dingen ontwikkeld tijdens uw betrokkenheid, en wat is de huidige status van AM-standaardisatie?

Er zijn enkele zeer goede ontwikkelingen geweest.
 
We hebben standaarden nodig, vooral in de luchtvaart, maar ook in andere veiligheidskritische gebieden zoals medisch, nucleair en energie. Het sleutelaspect van standaarden is dat ze iedereen dezelfde taal laten spreken en begrijpen wat een product kan.
 
Zonder standaarden bouwden mensen effectief onderdelen en voerden ze hun werk op vaak veel gelijke manieren uit, maar niet op dezelfde manier. Ze spraken niet dezelfde taal. Het is veelvoorkomend dat mensen verschillende termen gebruiken voor hetzelfde proces, of dezelfde term voor radicaal verschillende processen.
 
Het ontwikkelen van standaarden stelt je in staat om dezelfde taal te spreken en te begrijpen wat je bedoelt wanneer je refereert aan, zeg, een kwalificatiebuild, voedstof, of machinekwalificatieniveau.
 
In de luchtvaart, als je geen standaard hebt waartegen je een onderdeel kunt certificeren of typisch meerdere standaarden om het onderdeel dat je maakt te identificeren, zijn mechanische eigenschappen, prestaties en toleranties en om het terug te traceren naar de oorspronkelijke lot, terug tot de chemische samenstelling van de elementen die erin zaten, dan kun je het niet op een luchtvaartplatform zetten.
 
We ongelooflijk complexe geometrieën maken en onderdelen produceren met AM die op geen andere manier fysiek mogelijk zijn. We kunnen veel gewicht, tijd, materiaal en kosten besparen door onderdelen via AM te maken.
 
De ontwerp- en productievrijheid die AM ons geeft, is helder. Maar het nadeel is dat het geweldig is als je het onderdeel kunt maken, maar als je niet kunt bewijzen dat het een goed onderdeel is, baat het niemand.
 

Standaarden zijn wat ons over die lijn brengt om onderdelen te kunnen produceren en verkopen en ze in productie te kunnen gebruiken voor de luchtvaart.

Dus luchtvaartstandaarden zijn een van de sleutelstukken van de puzzel voordat je onderdelen kunt maken.
 
Er zijn diverse ontwikkelingsorganisaties die al lang hard werken op dit gebied. Ik heb ongeveer 10 jaar als vrijwilliger gewerkt aan ASTM-standaarden, en ik heb de voordelen gezien van wat we doen.
 
Zoals gezegd, heb ik bijgedragen aan de oorspronkelijke titaniumstandaard voor poederbedfusie. Die eerste nam me (en een paar andere) iets meer dan twee jaar om te valideren. Vervolgens konnten we extra standaarden in ongeveer de helft van die tijd opleveren.
 
Dingen beginnen nu echt te versnellen. ASTM lanceerde onlangs zijn Center of Excellence in Auburn, Alabama, in samenwerking met Auburn University.
 
De bedoeling was om gerichte R&D-financiering en inspanning door samenwerkingspartners toe te passen om meer standaarden sneller te bereiken. Er is veel industrie- en overheids samenwerking om de gaten en standaarden te identificeren die we in de industrie zien, wat we nodig hebben om vooruit te gaan.
 
U heeft misschien gehoord over de ANSI-roadmap. Dat is een heel goed document waaraan sommigen in de industrie hebben bijgedragen om onze belangrijkste gaten te identificeren die we moeten vullen om echte productie voor additive manufacturing te bereiken.
 
Op de nieuwste versie van die roadmap waren er naar ik geloof 91 gaten geïdentificeerd, grotendeels in standaardgebieden, en sommige zijn zeer hoge prioriteit. Het ASTM Center of Excellence is één voertuig dat gebruikt wordt om R&D toe te passen om die gaten in standaarden te dichten.
 
In een ander gebied heeft SAE International zijn Aerospace Materials Specification (AMS). De eerste voor additive poederbedfusie waren AMS 7000, 7001, 7002 en 7003 voor nikkellegering 625, recent uitgegeven.
 
Dat zijn uitstekende werklijven die veel resultaten zullen opleveren. Velen van ons gebruiken deze standaarden al om productieonderdelen te ontwikkelen.
 

Met uw ervaring in het adopteren van AM, wat zijn uitdagingen geweest bij het integreren van de technologie intern en hoe heeft u dat aangepakt?

Oerlikon AM heeft als doel AM-oplossingen te bieden die voldoen aan de eisen van de meest veeleisende industrieën, zoals luchtvaart en medisch.
 
Over onze verschillende faciliteiten hebben we de juiste kwaliteitssystemen, zoals AS9100 voor luchtvaart en ISO 13485 voor medisch. Maar wat betreft het integreren van alle systemen die nodig zijn om daar te komen, dat is een uitdaging geweest, hoewel er oplossingen zijn die stukjes van de puzzel bieden.
 
Ik zou zeggen dat er geen enkele oplossing is die elk aspect van wat we nodig hebben, end-to-end, dekt. Maar er zijn veel goede tools die delen van die hele end-to-end toeleveringsketen dekken.
 
Een van onze uitdagingen is om de oplossingen te identificeren die verschillende aspecten van onze toeleveringsketen dekken, die aan boord te halen die de aspecten dekken die we nodig hebben en ze te integreren.
 
Bijvoorbeeld, sommige oplossingen hanteren financieel en voorraad heel goed, maar ze doen het niet goed voor productieworkflows. Andere hanteren productieworkflows en productieplanning goed, maar hanteren niet, zeg, bouwtiijdschatting, materiaalbeoordelingskwesties, of geometrische componentkwesties, zoals blauwdrukken en 3D-modellen.
 
Er zijn dus veel verschillende aspecten, en onze uitdaging is al die verschillende stukjes te integreren om een naadloze end-to-end oplossing te hebben. Het is momenteel een redelijk handmatig proces, maar we werken er aan om het veel geautomatiseerder te maken naarmate we vooruitgaan.
 

Kunt u succesverhalen delen over hoe u AM in productie heeft gebruikt?

Hoewel ik niet specifiek naar die klanten kan verwijzen zonder hun autorisatie, hebben we wel diverse componenten die actief in productie zijn. Sommige die ik me kan herinneren, zijn luchtvaart- en defensiegerelateerde componenten.
 
Een is een vluchtcomponent die deel uitmaakt van een missiesysteem op een militair helikopter. We zijn al twee jaar in productie voor dat component en hebben met succes meer dan 200 eenheden geleverd.
 
We maken ook een ander component dat gebruikt wordt voor een grondsensor, waar je een geïntegreerd systeem van 80 verschillende individuele componenten in één monolithisch stuk hebt. Die is ook al bijna twee jaar in productie.
 
We hebben een aantal andere productiecomponenten die we maken – voor olie en gas en onderzeese exploratie, die in actieve productie zijn voor onderzeerobotica – voor een andere klant waar we onderdelen voor maken, die actief gebruikt worden in zowel olie en gas, boren en exploratie, en onderzeerobotica.
 

Hoe ziet u additive manufacturing evolueren de komende vijf jaar, zowel in termen van technologie als de industrie in het algemeen?

De komende vijf jaar zie ik de technologie evolueren met meer multi-laser systemen, wat onderdelen sneller laat produceren, waardoor de kosten van componenten dalen. Dit zal de implementatie van AM-onderdelen verder drijven.

De kosten van onderdelen is een sleutelfactor, en lasertijd is de belangrijkste kostenstuur voor een AM-component. Als je meer lasers in een onderdeel kunt kwetsen en de componenten kunt certificeren met die multi-laser systemen, kun je hetzelfde onderdeel sneller en dus goedkoper bouwen.
 
De andere evolutie is dat we betere in-proces monitoring systemen zullen hebben. Er zijn een paar verschillende beschikbaar van verschillende fabricanten, maar mijn indruk is dat hoewel veel van ze goede systemen zijn, ze nog niet op het niveau van capaciteit zijn dat gebruikers, zoals ik, nodig hebben om ze bij een echte productiesnelheid te implementeren.
 
Mijn hoop is dat we snel echte in-proces monitoring zullen hebben, zodat we kunnen monitoren wat er in de machine gebeurt tijdens het proces en problemen met een component kunnen identificeren voordat het de machine verlaat.
 
Het ideale scenario zou zijn om intelligente software te hebben die problemen kan identificeren en potentiële correcties kan maken met engineering-ondersteuning on the fly. Nog beter zou zijn om echt robuuste machines te hebben die geen problemen hebben en gewoon 24/7 draaien.
 

Zijn er trends waar u enthousiast over bent?

Ik ben enthousiast over diverse ontwikkelingen, met in-proces monitoring systemen, zoals ik noemde, als een.
 

Er zijn ook nieuwe materialen die worden ontwikkeld en gelanceerd. We ontwikkelen een paar verschillende materialen die sommige van onze klanten in staat stellen om echt revolutionaire componenten te maken.

 
Het andere waar ik enthousiast over ben, is dat er veel meer diversificatie is in fabricanten over de hele wereld. Vroeger werden de meeste AM-machines geproduceerd in een handvol landen in Europa. Nu zijn er nieuwe fabricanten en diverse landen die verschillende en nieuwe benaderingen toepassen om machines te bouwen.
 
Ze drukken de kosten van de machines naar beneden, en ze leren, van hun gebruik in de industrie, ze intuïtiever te maken voor operators.
 
Mijn ervaring de eerste paar jaren met deze machines was dat ze heel kieskeurig zijn en veel aandacht en "oppassen" vereisen. En eerlijk gezegd, was veel van het machineontwerp niet erg productievriendelijk.
 
Ik zie nu veel gebruiksvriendelijkheid in de machines gebouwd, naarmate machinefabrikanten feedback krijgen van hun gebruikers.
 
Maar ook de verhoogde concurrentie van verschillende fabricanten over de planeet helpt, denk ik, om innovatie in de systemen te drijven, de kosten te verlagen en de bruikbaarheid te verhogen voor de machinesystemen.
 

Wat is de volgende stap voor Oerlikon, met name voor de faciliteit die u helpt te begeleiden en runnen?

Onze korte-termijndoel voor deze faciliteit is om alle apparatuur die we hebben gekocht geïnstalleerd en gecertificeerd te krijgen. We hebben momenteel 18 metalen poederbedsystemen online en operationeel, en we doen productiehardware op veel van die systemen.
 
Onze volgende stap daarvoor is om de materiaaleigenschappen voor al onze materialsystemen over al onze machines en de datasets ervoor te voltooien. Maar dat is heel tijdrovend en duur.
 
Gelukkig hebben we hier veel heel getalenteerde mensen met veel materialen, metallurgie- en engineeringervaring, en ik ben heel trots om lid van dat team te zijn.
 
Het andere doel is om alle andere apparatuur op te zetten om die echte end-to-end productiefaciliteit te bereiken.
 
We hebben onlangs onze HIP-oven en vacuümoven online gebracht, en we werken aan het certificeren ervan.
 
We hebben ook CNC-apparatuur binnen gehaald, en we hebben een aanzienlijk aantal extra ovens en CNC-apparatuur voor post-verwerking om ook binnen te halen. Dus het doel is om al deze apparatuur geïnstalleerd, gecertificeerd en operationeel geïntegreerd te krijgen om een compleet, cohesief productiesysteem te creëren.
 
Meer informatie over Oerlikon: https://www.oerlikon.com/en/