CW-Composite World的編輯人員參觀美國田納西州斯普林菲爾德國際航空科技公司。該公司50年來為復合材料制造提供材料，包括定制制造，現在旨在推進3D打印工具、零件和新型樹脂。

定制制造，明日工具（TOT-Tooling of Tomorrow）Airtech International位于田納西州的最新地點為其在東南部不斷增長的客戶群提供材料和定制真空袋制造，也是其在美國的第一個地點（TOT 大樓，最右邊），提供3D打印服務、支持和Dahltram樹脂。

Airtech International（美國加利福尼亞州亨廷頓海灘）由Bill Dahlgren于1973年創立，其目標是分銷真空裝袋和復合材料工具的材料，為航空航天工業制造玻璃和碳纖維增強復合材料零件。航空科技迅速發展到其他行業，包括賽車運動、海洋、風能和太陽能、汽車、裝甲、建筑和太空。

它還在美國、英國、盧森堡、中國和現在的印度增加了設施，并將其產品擴展為“一站式商店”，提供各種真空包裝薄膜，包括超大寬度和超高溫。

如今，Airtech在全球擁有800多名員工，是世界上最大的真空裝袋和復合工具材料私營制造商。該公司還擴大了其工藝范圍，從預浸料和熱壓罐固化轉向濕鋪和熱壓罐外固化，以及樹脂注入。

其新的“明天的工具”（TOT）計劃旨在利用Airtech在為真空袋擠出聚合物薄膜方面的專業知識，以及數十年來理解和實現復合材料制造的經驗，以滿足大規模3D打印工具的需求，特別是在復合材料行業，基于擠出熱塑性材料的機器這項技術。

CW受邀參觀了Airtech位于田納西州斯普林菲爾德的最新美國工廠。這個15800平方米該場地提供了一個東海岸倉庫、Airtech 定制產品的額外制造和4700平方米的車間。

Dahlgren 說：“這是一個交鑰匙解決方案，為節省制造商的時間而定制。” “我們根據客戶的要求將其切割成一定尺寸，添加標記，可以包括薄膜、剝離層和透氣材料。我們為777X翼盒這樣做，使用183x366cm(60英尺寬、120英尺長)的實心真空袋薄膜，50mm(2 英寸)高的褶皺需要4000條膠帶才能將褶皺固定到位。這個袋子、的長度符合±6.35mm(±0.25 英寸)的放置公差。我們可以生產經檢查質量，以便開箱即用。這個袋子被送到華盛頓州進行機翼生產。”

Wade指出：“我們在這里做的幾乎所有事情都是用我們的材料定制的，你會在右邊的進貨區看到。” “我們正在將我們的真空裝袋耗材轉換為定制形狀，以滿足每個客戶的特定需求，我們與客戶合作，為他們的應用設計最佳的真空袋。”Wade說，這里擁有世界上最大的激光投影儀單矩陣之一，用于對齊用于準備這些定制真空袋的圖案。他補充道：“我們有15個激光投影頭，安裝在天花板上，它們協同工作，共享資源。” “我們每次都能獲得相同的精度，沒有異物碎片（FOD-foreign object debris），例如，留下了紙片圖案。當我們想制造更多這樣的產品時，我們只需添加另一個激光投影儀。”他指出，當客戶更換零件時，該系統也能為他們提供幫助。“我們只是更新CAD文件并投影新圖案。”

“這是這個過程的結束，”Wade 說，“我們的許多套件都被加工成更大的組件。”他指出，隨著公司生產更大的部件，這些定制袋子和套件的尺寸正在增長。

“我們看到不僅需要支持777X機翼，還需要支持太空探索技術公司的獵鷹9號有效載荷整流罩和藍色起源公司的零件。”

這些袋子可以折疊或卷起，以便于運輸和客戶收到后易于處理。“工程不僅在于配套，還在于包裝。這些袋子很大，你不想過度操作它們。我們與客戶合作設計存儲和包裝，以匹配他們希望在應用程序中部署真空袋的方式。”

定制裝袋套件的好處

一家公司為什么要這樣做？Dahlgren 解釋道：“如果他們有高周轉率的物品、非常復雜的工具或非常復雜的零件，他們不想在操作中花費時間來定制和成型真空袋，我們將在這里生產，并以他們可以使用的現成形狀或組合交付。” “所有這些工作都是在這里以質量控制的流程完成的，所以他們可以專注于生產實際零件的操作。”

Dahlgren說：“這些套件可以用更少的接觸勞動力生產復合材料零件。” 。 “這也消除了這些公司需要熟練切割和準備這些復雜袋子的勞動力。他們可以簡單地用一個隨時可以使用的袋子開始生產，而且每次都是同一個袋子。你可以雇傭一名幾乎不熟練的工人，讓他們更快地成為真空裝袋技術員。”

“節省的勞動力和靈活性幫助我們的客戶提高了生產力，”他繼續說道。“與真空裝袋膜相比，他們將為裁片套件支付更多的費用，這意味著每平方英尺的材料成本更高，因為這需要更多的勞動力。但這仍然比他們的勞動力便宜得多，而且他們可以更快地制造零件，并減少廢棄的裝袋材料。在這里，我們可以將所有的廢料回收到我們制造的薄膜中，所以這是一種環保環境優勢也是如此。”

定制薄膜焊機和簾布層切割機我們向左走到一張大桌子前，桌子中間有一臺設備，正在將兩張寬包裝膜焊接在一起。Dahlgren 說：“盡管Airtech 生產了一些世界上最寬的高溫裝袋薄膜，但這些薄膜還不夠寬，無法滿足我們生產的許多定制套件的需求。” 。 “因此，我們設計并制造了這種設備，用于將真空裝袋膜焊接在一起，這使我們可以根據需要做多大。

我們已經為游艇船體制造了100英尺寬、150 英尺長的真空袋，以及300英尺寬、400至500英尺長的連續袋。我們還沒有發現我們能制造多大的極限。”

Wade說：“這臺機器可以讓我們在一次操作中完成所有事情，從滾動到滾動。”。“裝袋薄膜從輥上下來，焊接后再回到輥上。我們對裝袋薄膜的處理要少得多，只接觸到很小的一部分薄膜，而其余的都是從擠出機上生產出來的。所以，你可以得到非常寬的、不受干擾的、更高質量的薄膜。”

圖1. 定制裝袋材料和制造。Airtech的7×52米XY簾布層切割器展示了它可以為波音777X機翼和SpaceX獵鷹9號有效載荷整流罩等復合材料結構定制的高溫真空裝袋薄膜的尺寸。

下一站是Airtech 的XY簾布層切割機——在 X和Y方向上使用旋轉切割機，將柔性材料從卷材切割成片材——同樣是由Airtech設計和制造的定制機器。

Wade 說：“我們有一個用來固定材料的真空臺和龍門頭，根據我們使用的材料，可以使用各種切割技術。”。“我們可以使用不同打印樣式的無接觸噴墨打印機，如銀色或黑色Sharpie或銀色鉛筆，打印客戶指定的標記。這些標記可以用于在零件上定位指示器，以便員工知道每個袋子需要去哪里。”我們面前的簾布層切割機寬7米×長52 米，雙龍門架，充分利用整個切割區域。此外，還有一個5×20 米的簾布層切割機，可以追溯到2006 年，目前仍用于較小的板材。定制產品的一致Dahlgren指出：“我們必須非常擅長的一件事是迅速培訓員工。”。“因為我們生產了這么多不同的SKU，所以我們所做的一切都是獨一無二的。我們不能對所有員工進行每一件商品的培訓。我們必須有一種方法讓他們快速學習如何生產每一件定制商品以及它應該是什么樣子。我們開發的解決方案之一是設計工作說明，使其變得平易近人，讓員工能夠理解他們。”

Wade 說：“我們每次生產每個真空袋都能得到相同的結果。”。“我們所有的工作說明都是數字化的。員工收到一份帶有條形碼的工作指令，掃描條形碼，它就會顯示出該工作指令的詳細信息。他們可以查看工作說明，其中包括照片、視頻和我們需要描述員工應如何制作特定袋子的任何東西。然后，他們將這些說明與 CAD 圖紙結合起來，生成各種各樣的套件這就是我們需要生產的東西——從非常大的到小的組件，從每年生產兩次的套件到每周生產數百甚至數千件的定制產品。”

3D 形狀的袋子，倉庫

我們走過另一個為具有定制 3D 形狀的袋子設計的焊接區域。這些可以是為航天器生產有效載荷整流罩的袋子，也可以是在心軸上制造的緊公差零件。這里的機器也是由 Airtech 設計和制造的。

Dahlgren 說：“大多數現成的機器都無法密封真空袋以實現良好的真空完整性。”。“但我們專門為高溫裝袋膜設計了密封劑，考慮到了這些材料的性質。”

然后，我們經過一系列細長的刀片狀部件。“這些都是為了研發，”韋德說。“我們做測試是為了弄清楚如何制作一個特殊的袋子，例如，形狀奇怪的袋子，必須符合非常嚴格的公差，這樣客戶才能應用他們的工藝。”

我們穿過一扇門，來到一個大型倉庫/運輸區，那里有從地板到天花板的貨架，里面裝滿了各種產品。

Dahlgren 表示：“我們在2017年的擴建增加了這個50000平方英尺的倉庫。”。“我們有4000多個托盤位置用于儲存原材料，我們可以從這里運出客戶需要的任何產品。”

“明天的工裝”（TOT- Tooling of tomorrow）建造

當我們進入 TOT 大樓時，Gregory Haye 注意到它建于2020 年。航空科技公司增材制造（AM- additive manufacturing）總監Gregory Haye 指出，運營始于2021年1月。“目前，我們有一臺大規模增材制造（LSAMlarge-scale additive manufacturing）1040機器，尺寸為40×10×5英尺（長、寬、高），來自美國印第安納州戴爾的 Thermwood。這臺機器也在我們位于盧森堡的工廠。”他指出，Airtech 制造的許多零件都涉及客戶的敏感信息，“因此，不幸的是，我們無法展示我們所做的很多偉大工作。”

Dahlgren 說：“我們幾乎從一開始就參與了模具制造，主要是通過模具樹脂和預浸料。然后我們開始看到3D打印，我們真的相信這將是模具的未來。所以，2018年，我們購買了這臺機器，以開發更好的技術，生產更好的工具。”。他指出，Airtech 已經擠出熱塑性真空裝袋和脫模膜50年了。“我們知道擠出機、樹脂和流動工程。而這臺 LSAM 機器只是一個大龍門架上的小擠出機。所以，盡管聽起來增材制造與我們所做的完全不同，但它實際上就在我們的駕駛室里。”

由Haye領導的TOT團隊由AM世界已經建立的專家組成，其中包括一些與橡樹嶺國家實驗室（美國田納西州橡樹嶺 ORNL）合作安裝和商業化其第一臺機器的專家。Haye 說：“因為我們的團隊已經很有經驗了，所以我們從第一天起就在生產，而且我們能夠很快完成項目。”。他指出，首批項目之一是用于太空工業的結構梁模具，填充 2.5×5×1 米的外殼。“在調試的前兩周內，我們的機器上就有了。接下來，我們做了一個高溫熱壓罐工具。”

與傳統的熱固性碳纖維增強聚合物（CFRP）工具相比，這些 3D 打印工具有何不同？它們的使用壽命是多少？“我們的交付周期更快了，”Haye 說。“根據尺寸的不同，從完成設計到工具完成，我們平均需要兩周半到三周的時間。使用 Dahltram 樹脂，我們打印的工具在 350°F 下完成了 500 多次熱壓罐循環，并且仍然可以保持 ±0.127mm（±0.005 英寸）的公差，這是用于成型航空航天復合材料的工具的典型公差。”

圖2. 3D 打印工具和Dahltram 樹脂。Airtech使用Thermwood LSAM 打印機為客戶生產工具和零件（頂部），這是其支持和擴展復合材料3D 打印目標的一部分。但該公司也打算銷售其復合、造粒的 Dahltram 樹脂（底部），利用其數十年來在擠出熱塑性真空袋和其他薄膜方面的經驗，該公司配制該樹脂以在基于擠出的增材制造機中提供高質量的打印產品

Dahltram 樹脂

當 Airtech開始使用 LSAM 時，它對購買用于打印的樹脂不太滿意。達爾格倫說：“我們自己配制樹脂已經將近 50 年了。”。“所以，我們開始考慮制作自己的化合物配方。”事實證明，這才是真正的目標。“是的，我們想使用增材制造制造工具，但我們不會有 50或 60 臺打印機——我們的目標是向購買這些增材制造系統的每個人供應樹脂。”

Dahlgren說，Airtech的客戶在購買第一臺 3D 打印機的路上會購買一兩個工具，“而其他公司可能會在未來五年內將我們作為服務局。我們的客戶組合非常多樣化，但我認為大多數公司最終會購買至少一個打印系統。我們將幫助這些公司打印他們需要的工具，并最終打印他們的全系列零件。”

Dahltram打印材料由用短切碳或玻璃纖維增強的熱塑性聚合物制成，并復合成顆粒。它們可以使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚醚砜（PESU）或聚醚酰亞胺（PEI）制成。Haye 說：“我們還有其他樹脂即將上市，比如回收的 PETG（聚對苯二甲酸乙二醇酯）。“我們也在尋找對苯乙烯樹脂系統制成的零件友好的材料作為工具。這對市場上許多當前的熱塑性材料來說通常是一個挑戰。”

Dahltram 產品包括五種商業化印刷材料和兩種凈化樹脂系統。Haye 補充道：“我們已經與各種機器原始設備制造商驗證了這些材料，證明它們可以將我們的技術數據表與其系統相匹配。”。這些3D打印樹脂不僅專注于航空航天，還開發用于汽車、風能、建筑和工業應用。Haye 補充道：“我們在所有地點都有3D打印樹脂庫存。”。“這也給了我們交付周期優勢。14-24周的交付周期很常見，我們已經承諾要打破這一優勢。”

回收需要整個過程鏈

所有Dahltram 材料均設計為可回收材料。Haye說：“我們已經在這方面做了一些初步工作，以展示你可以在不同配方中保留的特性。”“我們現在正在努力將可回收物重新造粒為新的原料，以建立一個如何收回工具、研磨工具并將材料回收為新原料的流程。

過去三年來，我們一直在這里保存廢料，現在我們正在向前推進。”

然而，Airtech 必須確保這些材料能夠重新制成新產品。Haye 說：“我們的每一種材料都有一份技術數據表，我們不會只銷售來自不同來源的隨機顆粒材料。”。“我們將驗證這些材料的性能，以便您可以使用我們的數據表進行設計。”

Haye 繼續說道：“你不能把所有東西都磨掉然后打印出來。”。“例如，顆粒尺寸的巨大差異可能會在擠出機的螺桿進料中造成阻塞點，從而導致打印過程中的不一致和質量問題。我們將回收物帶回合格的原料，這意味著將其重新混合成顆粒。這也意味著我們可以擁有與機器無關的材料。”

Airtech 還回收被清除的材料。清洗擠出機是Airtech 清洗過程的一部分，用于材料更換和正常的機器維護。“然而，有時在工具的打印層之間需要這樣做，”Haye 說。“例如，你可能會在打印過程中停留很長時間，在進入下一層之前，你需要對打印材料進行一次小的清洗，以確保沒有材料因為在高溫下閑置了很長時間而退化。”

Dahlgren 說：“我們收集被清除的材料，重新研磨，然后進行一系列的復合處理，重新格式化材料。”。“我們還生產自己的清潔凈化顆粒。我們采用生態系統方法來確保整個過程鏈正常工作，這使回收變得可行。”

機械加工、真空完整性、工具設計

我們走過一個 1.5×2.4×2.4 米的 3D 打印大型飛機發動機機艙工具的一半。Haye 指出：“它的鏡像一半在正在打印的 LSAM 中。”。“兩半都用螺栓固定在一起，然后我們將進行精加工。”他指出，幾乎每個打印品都經過加工和 3D 激光掃描，以確保印刷零件在加工前符合 STL 模型的精度。

圖3. 精密印刷、機械加工和真空完整性。為了確保準確性，Airtech 3D 激光在加工3D 打印零件之前會對其進行掃描。Airtech 3D 打印工具使用Dahltram 樹脂，在350°F 下完成了500多次熱壓罐循環，同時保持±0.005 英寸的公差，這是用于成型航空航天復合材料的典型工具。

盡管機艙工具將進行機械加工，但它已經有了相當光滑的表面。Airtech 在這里使用了比支撐結構更高的打印分辨率，由于打印珠更大，支撐結構很粗糙。Haye 說：“當我們加工這種工具時，我們會從 1.5英寸厚的打印面板上去除標稱 0.25 英寸的材料。”。

“工具面使用兩個打印珠，因為我們知道我們要加工掉一部分，而備用結構只有一個珠，因為它不需要加工。”

打印工具表面厚度是否影響其真空完整性？Haye說，Airtech 工具具有真空完整性，這不是因為厚度，而是因為材料和加工方式。“我們已經在打印時厚度低至 0.25 英寸的面板上演示了這一點。當我們剛開始時，我們在各處打印了兩個珠子。但隨著我們積累數據和進行更多設計模擬，我們正在學習更多。我們也在驗證這些模擬，在內部對工具進行熱循環。我們一直在努力提高工具在材料和/或設計過程中的效率，但我們謹慎行事，并始終進行驗證。”

這些工具和零件是如何設計的？Haye 說：“客戶通常會給我們零件或工具表面的數字設計文件，再加上他們的要求清單和我們需要的技術輸入。然后我們設計備份結構。大多數客戶對如何設計增材制造沒有經驗，尤其是大型工具。但我們有。”。例如，我們盡量減少打印工具表面背面的接觸，以最大限度地減少大型散熱器，同時也減少材料使用。因此，該工具在尺寸上是穩定的，但在熱方面也能發揮應有的作用。”

Haye 補充道：“我們還開發了退火循環，使這些工具的尺寸更加穩定。”。“例如，我們可以在加工階段之間或印刷后添加加熱過程，以減少或緩解殘余應力，從而保持高表面精度。這些工具的公差為±0.005英寸。”

驗證，實現航空航天質量

Haye 說：“我們所有的材料都是通過打印樣本進行驗證的。”。“我們使用打印面板和樣品，而不是熱塑性塑料行業典型的注射成型狗骨試樣，對材料進行全面的機械評估和熱表征。”Airtech 還驗證了其材料的加工窗口。“我們記錄擠出機的溫度數據，并將其與印刷樣品測試相關聯，這樣我們就可以與機器制造商共同開發擠出型材，機器制造商會說，在這臺機器上，這些溫度是獲得最佳結果的溫度。”

圖4. 驗證過程溫度。Airtech 使用兩個紅外相機-一個用于打印層，一個用于下面的表面-來驗證最佳打印參數，以確保層之間的良好粘合性和高機械性能

“我們還為它們提供了最佳的層溫度，”Haye說。“我們測量我們打印的每一層和打印表面之間的界面溫度。”這是使用兩臺 Flir（美國俄勒岡州威爾森維爾的 Teledyne Flir）熱（紅外）相機完成的，一臺用于打印層，一個用于下面的表面。他解釋道：“如果這個界面的溫度不夠高，你就無法獲得良好的附著力。”。“我們知道確切的溫度，其中有一個最佳和安全的范圍。但我們也突破了極限，看看如果超過最佳溫度會發生什么，這會對機械性能產生什么影響？我們有異常情況的數據，我們還研究了幾何結構變化時的熱梯度。”

Haye說：“我們的目標是使這項技術取得成功，并促進其被更多人采用。”。“因此，我們與所有基于擠壓的 3D 打印機制造商合作，使用驗證流程，在我們的支持下，他們使用我們的材料進行打印，以確保他們能夠正確處理材料。但這也會導致零件能夠滿足嚴格的技術要求。因此，客戶是否在 CEAD（荷蘭代爾夫特）的機器人打印機上打印并不重要或大型龍門機器，其結果和性能，甚至熱膨脹系數（CTE- coefficientof thermal expansion），都與預期完全一樣，也與零件設計和工藝工程中的模型完全一樣。”

最后一句話聽起來很像航空航天工業的做法。

“我確實認為這有助于我們理解對航空航天的期望，”他說。“我們想把整個市場拉上這條曲線。同樣，我們正在追求成功，這會導致更多的采用率。對于一些機器或零部件制造商來說，我們可能會說，‘嘿，我們需要這樣做。’但我們有數據支持這一點，并解釋原因。”

Dahlgren指出，Airtech提供了CEAD和GKNAerospace Munich（德國）用于打印空客 A350 復合材料襟翼批量生產工具的樹脂（見“使復合材料 3D 打印適應不斷變化的需求”。“我們的許多 3D 打印工具客戶都是與我們打了 50 年交道的公司，”他說。“他們了解我們，知道我們將以提供工具樹脂、預浸料和真空袋的方式為 3D 打印提供樹脂，以滿足他們的需求和預期質量。我們現在有了這種 3D 打印設備，這樣我們就可以證明我們的樹脂，做別人不想做的事情，因為我們有一定的專業知識。我們認為我們可以利用這一點來幫助擴大市場。”

增加機器，為未來實現多樣化Haye 表示，Airtech TOT 工廠將根據供需情況增加更多機器，并增加新的功能。“這臺 LSAM 機器提供了超大規模，”他指出，“但我們未來也將需要更小規模的系統。我們的方法是與設備無關。”

Dahlgren 補充道，TOT 大樓的設計有足夠的擴展空間。他說：“我們已經接到越來越多的電話來幫助該行業打印和運行他們的系統。”。“我們成功地生產出了打印效果非常好的高質量樹脂。我們知道如何實現所需的真空完整性和性能，我們可以讓我們的工具經受行業如何使用它們的嚴格考驗。”

“我認為這是我們團隊與眾不同之處的一部分，”Haye說道。“我們擁有全球能力、技術人員、知識和資源。我不僅依靠這些來支持我們的內部開發，而且我們也在利用這些來支持客戶。例如，我們可以說，‘這是這種材料或應用程序需要滿足的所有要求，因為我們已經使用它50年了。’我們真的很幸運在全公司范圍內擁有這些知識庫，我們正在利用這些知識來幫助我們的客戶和行業。”

事實上，Airtech 在復合材料行業的領導地位最近得到了先進材料和工藝工程師協會（SAMPE）的認可，該協會認可了 Airtech 的創始人、現任首席執行官Jeff Dahlgren 的父親Bill Dahlgren， CW 的導游之一，獲得 2022 年莫特·庫什納終身成就獎。

Dahlgren 說：“我們有著令人驚嘆、獨特的歷史。”，“因為我們是一家材料供應商，但我們也是一家為主要 OEMS 和許多其他公司生產定制套件的分包商，然后在 TOT 大樓里，我們是飛機、太空和其他行業關鍵領導者的首選。我們什么都有，現在你可以看到我們所做的制造產品。”

“我們家族的第三代人即將進入這家公司，”他繼續說道， “我想確保我們像技術一樣繼續前進。增材制造是未來的關鍵部分。這對我們公司來說是一個重要的多元化。我們未來將推出的不同樹脂和不同的打印方式將為 Airtech 提供下一個遺產。但這是我們現在已經在做的事情的延伸。這是一個自然的進步這恰好也是最新的技術。”

原文見，《Plant tour: Airtech International, Springfield, Tenn., U.S. 》2023.5.17