Oerlikonの積層造形責任者Matthew Donovan氏インタビュー：航空宇宙における3Dプリンティング

グローバルな技術・エンジニアリンググループであるOerlikonは、航空宇宙・防衛を含む最も安全性が求められる産業にサービスを提供しています。積層造形は同社の提供においてますます重要な位置を占め、今年初めには米国で5,500万ドルのイノベーションハブと先進部品生産施設を設立しました。

今週のエキスパートインタビューでは、Oerlikonの積層造形担当プリンシパルエンジニア、Matthew Donovan氏に、エンドツーエンドのAM生産施設の開発継続、注目のAMトレンド、業界の未来にとって標準がなぜ重要かについて語っていただきました。

Oerlikonについて教えてください

Oerlikonはグローバル企業であり、Surface SolutionsとManmade Fibersの両セグメントで製造のリーダーです。Surface Solutionsセグメントの一部であるOerlikon AMは、金属粉末からプロトタイピング、量産まで、積層造形ソリューションを提供しています。

積層造形との最初の関わりは？

私のバックグラウンドは航空宇宙です。Oerlikonに来る前は、過去20年間、主にガスタービンエンジン、ホットセクションコンポーネント、燃焼セクションコンポーネントに携わってきました。

航空宇宙ガスタービンエンジン向け燃料供給システムを主に、産業用ガスタービンや燃料電池リフォーマーも手がけてきました。NASAや他社との様々なR&Dプロジェクトにも参画。非常に要求の厳しい環境で、高強度・高温材料を扱う経験があります。

製造エンジニアとしてキャリアをスタートし、部品の製造・組み立ての詳細を学び、品質エンジニアとして同じコンポーネントの現場調査にも携わりました。

2006年に先進製造の分野に入りました。従来の製造では実現できない、難易度の高い形状やコンポーネントに遭遇し始めたのです。

その時、Morris Technologiesと金属3Dプリントコンポーネントで協業していました。積層造形を用いた燃料インジェクター用コンポーネントの開発を開始しました。

その後数年間で、積層造形を用いたいくつかのコンポーネントを開発。United Technologiesで、AM技術の開発・導入を全社的に支援し、主にフライト認証ハードウェアに焦点を当てていました。

これらのコンポーネントの実装に取り組む中で、私が発見した大きなギャップの一つは、部品の作り方や認証の方法に関する標準が完全に欠如していたことです。

航空宇宙におけるコストの多くは、必ずしもコンポーネント自体ではなく、認証にあります。我々が製造するすべてのコンポーネントについて、完全なトレーサビリティを提供しなければなりません。それをどう行うか、積層造形でどう実装するかの標準を開発することは、かなりの挑戦でした。

2009年頃からASTM F42でAM標準化に取り組み始めました。いくつかの標準の起草を支援し、その後いくつかの委員会で活動。ISO/TC 261とASTM F42と共に、レーザー式金属粉末床溶融の設計ガイドISO ASTM 52911を共著しました。

United Technologiesでの作業を通じて、多くの才能ある人々と働き、多くの優れたリソースにアクセスできたことで、様々なイノベーションを生み出し、AM金属粉末床向けの最先端製品を開発できました。

Oerlikonでの役割は？

2017年にOerlikonに入社し、現在はAM担当プリンシパルエンジニアを務めています。私の役割は、生産対応のAM金属技術の導入と開発に重点を置いています。

Surface Solutions Groupのスタートアップ部門として始まりました。ノースカロライナ州ハンターズビルに新施設を建設し、1年足らず前に移転しました。

120,000平方フィートの施設で、現在18台の金属粉末床システムを稼働しています。現場にはHIP（熱等方圧プレス）と真空炉、後処理、粉末ハンドリング、検査能力を備えています。

目標は、サプライチェーンのあらゆる側面を管理し、顧客にトレーサビリティを提供できる、真のエンドツーエンドAM生産ワークフローとしてこの施設を確立することです。

私の役割は主にマシン認証です。マシンOEMと密接に連携し、マシンの設置と適格性評価を行い、それらをコンポーネントの能力とクロスケイパビリティ（異なるマシン間での同一製品製造能力）で認証します。

これにより、個々のマシンの能力、幾何公差を生み出す精度、マシン間の差異を理解し、それらをチューニングして複数のマシンで同一製品を提供できるようにします。

標準化は航空宇宙などの業界で大きな話題です。あなたが業界に関わってきた期間でどう発展し、現在のAM標準化の状況は？

非常に良い進展がありました。

航空宇宙だけでなく、医療、原子力、エネルギーなどの安全性が重要な分野でも標準が必要です。標準の要点は、誰もが同じ言語を話し、製品が何を達成できるかを理解できるようにすることです。

標準がないと、皆がしばしば非常に似た方法で部品を作り、作業を行っていましたが、同じやり方ではありませんでした。同じ言語を話していなかったのです。同じプロセスを指して異なる用語を使ったり、同じ用語で全く異なるプロセスを指したりすることはよくありました。

標準を開発することで、全般的に同じ言語で話し、適格性ビルド、原料、マシン適格レベルなどを指すときに何を意味するかを理解できるようになります。

航空宇宙では、作っている部品、その機械的特性、性能、公差を特定し、元のロットまで、さらにそれを構成する元素の化学組成まで遡れる標準がなければ、その部品を航空宇宙プラットフォームに搭載することはできません。

AMが提供する設計と製造の自由度は明確です。しかし、部品を作れても、それが良い部品だと証明できなければ、誰の役にも立ちません。

標準こそが、部品を製造・販売し、航空宇宙での生産利用を可能にするラインを越えるためのものなのです。

したがって、航空宇宙標準は部品を作る前の重要なピースの一つです。

長年にわたりこの分野で懸命に取り組んできた様々な開発組織があります。私はASTM標準でボランティアとして約10年活動してきましたが、その成果を見てきました。

前述の通り、粉末床溶融用の最初のチタン標準に貢献しました。最初のものは（他の数人と共に）検証に2年以上かかりました。その後、追加の標準をその半分の時間で回せるようになりました。

今は本当に加速し始めています。ASTMは最近、オーバーン大学と共同でアラバマ州オーバーンにCenter of Excellenceを開設しました。

その意図は、ターゲットを絞ったR&D資金と努力を協力パートナーを通じて適用し、より多くの標準を迅速に達成することです。業界と政府機関の多くの協力で、業界で認識されている標準のギャップを特定しており、これが前進に必要なものです。

ANSIロードマップについて聞いたことがあるかもしれません。業界の一部が貢献した非常に良い文書で、真の積層造形生産を達成するために埋めるべき主要なギャップを特定しています。

最新版では91のギャップが特定され、その多くは標準分野で、いくつかは非常に高優先度です。ASTM Center of Excellenceは、それらの標準のギャップを埋めるためにR&Dを適用する手段の一つです。

別の分野では、SAE InternationalがAerospace Materials Specification（AMS）を持っています。粉末床溶融向けの最初のものは、ニッケル合金625向けのAMS 7000、7001、7002、7003で、最近リリースされました。

これらは優れた成果であり、多くの成果をもたらすでしょう。我々の多くはこれらの標準をすでに生産部品の開発に活用しています。

AM導入の経験から、社内統合での課題と、それをどう乗り越えたか？

Oerlikon AMは、航空宇宙や医療など最も要求の厳しい産業の要件を満たすAMソリューションの提供を目指してきました。

様々な施設で、航空宇宙向けAS9100、医療向けISO 13485など、適切な品質システムを整えています。しかし、そこまで到達するために必要なすべてのシステムを統合することは課題でしたが、パズルの一部を提供するソリューションはいくつか存在します。

エンドツーエンドで必要なあらゆる側面をカバーする単一のソリューションはないと言えます。しかし、サプライチェーン全体の様々な部分をカバーする優れたツールはたくさんあります。

そのため、サプライチェーンのさまざまな側面をカバーするソリューションを特定し、必要な側面をカバーするものを導入し、それらを統合することが我々の課題の一つです。

例えば、財務と在庫をうまく扱うソリューションは、製造ワークフローではうまく機能しません。製造ワークフローと生産計画をうまく扱うものは、ビルドタイム見積もり、材料レビュー問題、図面や3Dモデルなどの幾何学的コンポーネント問題を扱えません。

多くの異なる側面があり、それらすべてのピースを統合してシームレスなエンドツーエンドソリューションを持つことが課題です。現在はかなり手作業のプロセスですが、今後はもっと自動化していく取り組みを進めています。

生産でのAM活用成功事例を共有できますか？

顧客の許可なしに具体的に言及することはできませんが、いくつかのコンポーネントが積極的に生産されています。思いつくのは、航空宇宙・防衛関連のコンポーネントです。

一つは、軍用ヘリコプターのミッションシステムの一部であるフライトコンポーネント。2年間生産しており、これまで200ユニット以上を納入済みです。

もう一つは、グラウンドセンサー用コンポーネントで、80個の個別コンポーネントを一体化したモノリシックピースです。これもほぼ2年生産中です。

他にも、石油・ガス、海底探査分野向けの生産コンポーネントがあり、海底ロボティクスで活用されています。別の顧客向けには、石油・ガス掘削・探査、海底ロボティクスで活用されている部品を積極的に製造しています。

今後5年間で、技術面と業界全体の両面から、積層造形はどう進化すると見ていますか？

今後5年間で、マルチレーザーシステムの増加により、部品をより速く製造できるようになり、コンポーネントコストを引き下げると見ています。これにより、AM部品の実装がさらに促進されるでしょう。

部品コストは重要な要素で、レーザー時間がAMコンポーネントコストの主なドライバーです。より多くのレーザーを部品に組み込み、それらのマルチレーザーシステムを使ってコンポーネントを認証できれば、同じ部品をより速く、したがって安く製造できます。

もう一つの進化は、より優れたインプロセスモニタリングシステムの登場です。現在、様々なメーカーからいくつか提供されていますが、私の印象では、多くが良いシステムながら、私のようなユーザーが真の生産レートで導入するために必要な能力レベルにはまだ達していません。

真のインプロセスモニタリングが 곧実現し、マシン内でのプロセスを監視し、部品がマシンから出る前に問題を特定できるようになることを期待しています。

理想的なシナリオは、問題を特定し、エンジニアリングサポートでその場で修正できるインテリジェントなソフトウェアを持つこと。さらに理想的なのは、問題がなく24/7稼働する真に堅牢なマシンを持つことです。

注目しているトレンドはありますか？

前述のインプロセスモニタリングシステムのような様々な開発に期待しています。

新しい材料の開発とリリースもあります。我々はいくつかの異なる材料を開発しており、特定の顧客が非常に画期的なコンポーネントを作れるようになります。

もう一つ期待しているのは、世界中のメーカーがより多様化していることです。初期には、ほとんどのAMマシンはヨーロッパの一握りの国で生産されていました。今では、新しいメーカーと様々な国が、マシン構築への異なる新しいアプローチを適用しています。

彼らはマシンのコストを引き下げ、業界での使用から学び、オペレーターにとってより直感的なものにしています。

最初の数年間の私の経験では、これらのマシンは非常に気難しく、多くの注意と「ベビーシッティング」を必要としました。率直に言えば、マシン設計の多くは製造フレンドリーではありませんでした。

今、ユーザーからのフィードバックを得て、マシンにユーザーフレンドリーさが組み込まれつつあるのを見ています。

また、世界中のさまざまなメーカーからの競争激化が、システムのイノベーションを促し、コストを下げ、マシンシステムの使いやすさを向上させていると考えます。

あなたが監督・運営する施設も含め、Oerlikonの次のステップは？

この施設の短期目標は、購入したすべての機器を設置・認証することです。現在18台の金属粉末床システムがオンラインで稼働しており、その多くで生産ハードウェアを製造しています。

次のステップは、すべての材料システムについて、全マシンでの材料特性とデータセットを完成させること。これは非常に時間とコストがかかります。

幸い、材料、冶金、エンジニアリングの経験を持つ非常に才能ある人々が多くここにおり、そのチームの一員であることを誇りに思います。

もう一つの目標は、真のエンドツーエンド製造生産施設を達成するために、他のすべての機器を稼働させることです。

最近、HIP炉と真空炉をオンラインにし、それらの認証作業を進めています。また、CNC機器も導入し、後処理用の追加炉とCNC機器も大量に導入予定です。目標は、これらすべての機器を設置・認証し、運用面から統合して、完全で凝集力のある製造システムを構築することです。

Oerlikonについて詳しくは： https://www.oerlikon.com/en/