3D打印材料将满足ESD、易燃性和其他要求，从而实现管道的灵活制造，而无需当今所需的工具。
伊顿早期开发聚合物复合材料管道的工作主要集中在吹塑成型上，但这一过程将面临挑战，无法生产出具有剧烈过渡的管道形状。这个管道部分的高度略低于3英尺。伊顿现在正在使用增材制造来生产这种高达6英尺的飞机管道。
空气处理管道似乎是一个简单的部件，但当该管道是飞机上环境控制系统的一部分时，它可能需要满足许多要求。“有一个非常广泛的清单，”专注于聚合物纳米复合材料的高级专业工程师斯.晨（Si Chen）说，他是伊顿先进材料与工艺集团的一员。“有一个V0火焰等级：火焰必须在垂直表面上10秒内熄灭。除了振动处理和零件的特定强度要求等特定应用要求外，还有耐化学性、烟雾和毒性。”另一个值得注意的要求是管道材料必须具有静电耗散（ESD-electrostatic dissipative）。所有这些需求都必须满足，因为零件的几何形状也很复杂，足以绕过飞机的其他部件。铝一直是制造满足所有这些需求的飞机管道的首选材料，但斯.晨是伊顿团队的一员，该团队现在已经实现了一种潜在的更快、更便宜、更灵活的飞机管道制造方法。聚合物复合材料3D打印提供了一种按需生产管道的方法，无需工具，设计自由度更高。该解决方案的关键是开发一种3D可打印材料，该材料与铝一样或更好地满足飞机应用的所有要求。伊顿的材料是经过多年开发工作的产物，是一种碳纤维增强PEKK，专门用于管道系统。贾韦德·马普卡尔（Javed Mapkar）是伊顿同一集团的高级技术经理。这种材料已经准备好了——在伊顿的内部测试中得到了验证——目前正在通过第三方测试，以便在飞机生产中替代铝。这项工作目前正在通过威奇托州立大学的国家航空研究所（NIAR）进行。他说：“对于这种ESD PEKK材料，我们正在努力使其符合B基允许值。我们需要制作多批材料，在多台不同的打印机上打印，并显示可重复性。”![]()
伊顿工程师斯.晨（Si Chen）列出了应用于飞机管道的纳米复合材料必须满足的要求。它们包括阻燃性、耐化学性和抗振动性，并且材料必须具有静电耗散性。
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颗粒给料3D打印系统简化了材料开发，但也提供了一种同时输送足够材料用于无人值守生产多个大型管道的方法。
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3D Systems Titan 3D打印机在伊顿位于密歇根州南菲尔德的工厂使用，该工厂已经完成了管道相关材料和工艺开发。这台机器和增材制造工程师吉米·沃德在一起。机器的尺寸允许同时生产多个大型管道段。
能够使用颗粒材料的3D打印平台也是该解决方案的一部分，也是目前正在鉴定的过程的一部分。材料开发是在3D Systems的Titan颗粒给料挤出3D打印机上完成的，零件也已在该打印机上制作完成。伊顿本可以寻求一种使用挤出3D打印中更常见的细丝形式材料的解决方案，但生产颗粒形式的材料简化并加快了材料开发。颗粒库存还提供了一种更实用的方法，可以部署足够的材料，用于无人值守的多个大型飞机管道。所使用的Titan机器的构建体积为50×50×72英寸，可以以每次构建4到8个管道的倍数3D打印高达6英尺的管道——这就是生产最终需要的。斯.晨和马普卡尔说，根据管道的大小和数量，制造这样的零件可能需要12到15个小时。重要的是，在这种结构中，管道也可能完全不同。飞机的生产量足够小，飞机上的风管设计也足够多样化，因此风管制造本质上是高混合、低批量的生产，但由成型铝制成的风管受制于硬工具。取消这种工具的机会简化了制造，给设计带来了新的自由，也使快速开发、测试和修改新设计成为可能。贾韦德·马普卡尔表示，在对材料和工艺进行鉴定后，伊顿正在考虑如何将这种新选择带给飞机制造商的各种方案。该公司已经有了金属飞机零件增材制造生产设施的先例，因此一种可能性可能是建立一个类似于该金属零件现场的无工具工厂，用于按需生产3D打印复合材料管道。 ![]()
伊顿高级技术经理贾韦德·马普卡尔（JavedMapkar）认为，一旦PEKK材料和AM工艺合格，各种可能的途径都会出现。管道柔性零件生产设施就是其中之一。![]()
今天有资质，明天有更好的飞机。现在，该公司正在承担鉴定成本，以便将通过金属铸造的飞机零件转换为3D打印。今天的投资将加快未来3D打印零件的鉴定，使设计工程师能够充分探索增材的自由度。
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如今，伊顿增材工厂的一个重点是将通过铸造制造的飞机零件转换为3D打印。交付周期的节省保证了这一点，通常也有轻量级和组装整合的机会。挑战在于资格。
对于伊顿航空航天集团来说，零部件生产增材制造的发展意味着垂直整合。去年，该公司在南卡罗来纳州查尔斯顿的一个现有飞机零部件生产基地内开设并开始运营一个新的以航空航天和生产为重点的AM工厂。这家新工厂目前拥有三台粉末床金属AM机器和后处理设备，随着更多机器的增加，预计产能将增加一倍或三倍，加入了位于密歇根州绍斯菲尔德和印度浦那的伊顿AM开发中心，这些中心现在也将用于零件生产。该公司航空航天增材制造总监麦克·约克（Mike York）表示：“我们现在在整个公司有大约250名员工，至少将我们的增材制造工作作为他们工作的一部分。”。这包括伊顿在全球各地从事AM工作的员工。参与这项工作的人员加上新设施的开放，是AM现在参与公司生产的各个方面。AM的努力主要是实验性的和发展性的，这是一段重要而必要的时间，但那段时间已经过去了。约克说，对于伊顿及其客户来说，“增材的理由已经提出”。现在的任务是赢得更多计划并交付AM生产零件。![]()
乔治·埃尔赫洛（Georges Elhelou）领导查尔斯顿新的增材工厂。该工厂的主要目的是通过AM进行零件生产。
乔治·埃尔赫洛，增材制造业工业化经理，领导查尔斯顿新的增材工厂。为什么要垂直整合？他为伊顿解释了AM和内包之间的联系。这种联系在很大程度上可以通过3D打印在许多情况下正在取代的一种操作来解释：铸造。埃尔赫洛说：“我们的目标是尽可能多地将铸造转变为增材制造。”。铸造增加了交付周期以及供应链的复杂性。因为它是由铸造厂执行的，所以它本质上是一种外包操作。由于铸件对零件几何结构的约束，几何复杂性通常涉及将铸件与其他来源零部件匹配的部件。因此，伊顿的目标是将今天通过铸造制造的近净形状零件（因此是外部制造的）转化为通过激光粉末床熔化或电子束熔化在内部制造的更近净形状的零件，并实现与这些转换后的零件的组装整合，从而增材不仅取代铸件，而且取代其他部件和劳动力以及连接它们的连接或紧固件。埃尔赫洛说，使用增材来减少零件数量和简化采购将只是一个开始。今天取得控制权将为明天奠定基础。随着增材作为一种经过验证甚至是预期的生产手段，设计未来部件的工程师将能够利用AM的自由度，实现性能更好的零件设计，以实现更高效、更强大的未来飞机。之所以选择南卡罗来纳州的工厂，是因为这里已经在进行飞机零部件生产，AM依赖并必须与一些已经建立的生产能力相结合。具体来说，之所以选择查尔斯顿工厂，是因为这里进行了大量的数控加工。金属AM飞机零件需要数控加工，南卡罗来纳州团队是伊顿提供这一专业知识的领先团队之一。机械加工最终是通过AM生产金属零件的一部分，现在的集成包括将金属3D打印和机械加工结合在一起。查尔斯顿工厂为航空航天服务，并专门为航空航天应用增材。伊顿本身是许多市场的制造商，电气元件可能是其最大的产品类别。其航空航天集团是商用和军用飞机供应商以及航天器生产商的一级承包商，供应与机械驱动以及燃料和液压输送相关的部件和子系统。多年来，伊顿及其客户都清楚地知道，AM对此类部件有承诺，尤其是对更换铸件有承诺。在Southfield和Pune工厂，伊顿与客户合作，通过研究、测试、原型设计和概念验证组件来证明和验证这一承诺。现在是生产——从铸造到增材的转变所面临的挑战可以用一个词来表达：合格。埃尔赫洛说：“我们必须满足客户的质量标准和FAA（美国联邦航空管理局）的要求，即新的增材成分是对之前已经合格的零件的可接受替代品。”。这可能是一个漫长而困难的工作。事实上，这是一项成本高昂的工作，如今，伊顿正在对增材进行投资，以支持客户并与客户合作，从而获得资格。![]()
对一个零件进行增材生产的鉴定简化了对未来类似零件的鉴定。伊顿工厂目前正在生产一个与此类似的喷射泵组件。
埃尔赫洛说，关键是部分资格数据的成功正在累积。美国联邦航空管理局（FAA）已经表示愿意接受一个零件合格评定的成功适用于类似的零件，因此不必重复努力。这对伊顿来说可能是一个巨大的优势，因为伊顿为不同的飞机客户生产某些彼此相似的零件。因此，伊顿现在正着手将零件从铸造中转换出来，以期在最有机会获得基础资格的情况下，为未来的增材零件赢得有希望的先例。从头开始进行新的资格认证是昂贵的，但今天的费用将在未来更容易获得资格的相关部分产生回报。伊顿选择今天承担的生产工作有难度、关键性和零件族多样性。埃尔赫洛和约克表示，有很多机会——如果伊顿能够承担资质成本，许多零部件客户希望看到转向AM。目前，查尔斯顿工厂的AM转换管道中有大约50个生产飞行硬件组件。伊顿已获得20项商业奖励。在查尔斯顿和更成熟的南菲尔德工厂之间，有三个部件正在生产：一个喷气泵、一个地面加油系统的部件和一个战斗机冲压空气阀。约克补充道：“现在仅靠成本是无法实现的。我们需要让客户相信，生产卓越的设计和系统解决方案是有价值的。要实现这一目标，我们必须建立能力……”喷射泵是一种通过激光粉末床熔接制成的铝组件，它取代了过去的11个零件的组件，除了简化制造外，还减少了30%的重量。但这些改进所节省的费用不足以抵消通过新的制造方法鉴定新零件的成本。埃尔赫洛表示：“支付资格费的商业案例可能很有挑战性，但这将使我们稍后通过类似的部件获得更大的盈利能力。”。约克补充道：“现在仅靠成本是无法实现的。我们需要让客户相信生产卓越设计和系统解决方案的价值。要实现这一目标，我们必须通过近期的成功，立即建立能力。”能力建设和资格先例是代表长期投资的近期成本。![]()
伊顿在查尔斯顿的工厂使用了通用电气增材公司的Spectra L Arcam EBM机器，以及该公司的另一个重要设备。粉末回收站对复杂的EBM零件进行自动空气喷射，以进行沉淀。
我在访问期间偶然看到的发展中的一个组件代表了发展能力的一个例子，在这种情况下，通过接受困难。根据伊顿的要求，该组件的细节和性质是保密的，但钛合金6Al-4V部件包括复杂的内部通道和80多个外部端口。它将通过电子束熔化制成，除其他外，这是一个重大的去粉末挑战。Arcam EBM机器的供应商GE Additive提供的高压空气除粉机将作为除粉过程的一部分，伊顿自行开发的步骤也将如此。所有这些都将适用于未来具有歧管状内部通道的零件，实际上每一个内部通道都比这个复杂的零件更不具挑战性。![]()
查尔斯顿的两台激光粉末床聚变机之一是EOS的四激光系统。
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另一台激光粉末床熔接机是Trumpf的Truprint机器。埃尔赫洛表示，由于客户有时会指定或更喜欢某些机器类型，因此该工厂拥有来自不同公司的平台是很有价值的
为了进一步发展其能力，伊顿还采取了代表航空航天子部门多样性的额外工作——寻求在商业、军事和太空以及材料和平台方面大致均衡的分配。查尔斯顿AM工厂专门执行金属粉末床融合，但这一重点涵盖了一系列选项。现场的平台目前包括一台用于铝和钛的EOS M400四激光机，一台用于钛的GE Additive Arcam Spectra L EBM机，以及一台内部加热至500°C的Trumpf Truprint 5000激光粉末床熔接机，用于各种有利于这种高温的材料，包括钛和不锈钢。所有这些都被应用于该任务，以成功制造能够获得资格作为铸件替代品的零件。AM机器的数量将扩大。埃尔赫洛说，另外两台机器即将问世，很快还会有两三台。平台的范围也会扩大吗？他说，很可能不得不这样做。虽然生产机会需要更多的机器，但AM技术的快速发展将要求采用不同的系统。对增材的拥抱是一个长期变革的开始，伊顿为增材的发展制定的计划中包含了变革的期望。他说，“第一阶段是我们现在的处境——利用当前的机器。”这包括利用当前的机械品牌。他说：“行业还没有准备好说机器制造商和型号无关紧要。”因此，该公司可能会在现有的三个机器品牌之外，再增加一个机器品牌，用于支持第四种机器类型的零件或客户。在那之后，可能会开始整合到一个功能上。“在第二阶段，我们将在2024年用代表最先进水平的任何机器类型来扩大我们的能力。然后，在第三阶段，我们利用我们的知识，使用10年后最好的机器来扩大我们的增材生产能力。”他说，到那时，最好的选择可能不是激光粉末床或EBM，也可能不是今天用户显而易见的任何系统。对铸件的关注也是暂时的——尽管今天这是伊顿航空航天集团在增材方面看到的引人注目的机会领域。伊顿正在生产的地面加油组件说明了这一点。增材零件与铸件没有显著差异，但生产铸件的铸造厂过度扩张。埃尔赫洛说，对于像这样的非飞行组件应用，“铸造成本可能是增材版本成本的三分之一，但你无法获得零件。”。但对于增材，他说，“如果你需要250个，我们可以安排他们在下个月内交付。”![]()
将这种冲压空气阀改为增材，用两个零件替换了22个零件，简化了采购。
与此同时，AM生产的冲压空气阀与冷却战斗机的电子设备和驾驶舱有关，它是如何以不同的方式证明这一点的。该阀的增材版本将22个零件合并为两个。他说：“所有22个零件都是从外部采购的，包括两个大型铸件以及垫片和紧固件。”。“它们来自螺纹加工、冲压和铸造。质量人员必须管理所有这些。它们必须进行库存管理。供应链管理中存在问题。如果你只缺少其中一个零件，你就无法发货。”相比之下，增材主要只打印两个零件，并在伊顿内部进行打印。目前，AM是关于实现这种控制的。![]()
目前，伊顿客户对增材的需求是响应能力和控制能力。零件的生产运行可以在相对较短的时间内快速生产和交付。今天零件转换为增材的成功将为未来零件的设计奠定基础，这些零件旨在充分利用增材的可能性。
但它将越来越多地致力于改进飞机，并达到飞机所能达到的下一个性能水平。以下是伊顿及其客户将开始放弃铸件作为增材的起点的地方。习惯于AM与伊顿一起生产以前的铸件的客户将理所当然地认为3D打印是理所当然的，他们将与伊顿合作，利用AM才能生产的复杂组件将其用于下一代飞机。“我们增材的最终目标是新产品，”约克说。从飞机设计工程的一开始就应用增材，而不仅仅是可以转换的零件，这为实现几个显著的好处提供了机会。他说，为了让飞机更充分地利用它，AM将提供“更快的速度、更高的性能、更低的制造成本和20%到30%的重量节省”，所有这些好处都可以同时实现。![]()
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原文见：1、《 Eaton developing carbon-reinforced PEKK to replace aluminum in aircraft air ducts 》；2、《 Qualification Today, Better Aircraft Tomorrow — Eaton’s Additive Manufacturing Strategy 》
杨超凡
本文经译者同意发
本文链接：https://pekk.cc/pekk/7.html
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伊顿工程师斯.晨（Si Chen）列出了应用于飞机管道的纳米复合材料必须满足的要求。它们包括阻燃性、耐化学性和抗振动性，并且材料必须具有静电耗散性。
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