3D打印材料將滿足ESD、易燃性和其他要求，從而實現管道的靈活制造，而無需當今所需的工具。

伊頓早期開發聚合物復合材料管道的工作主要集中在吹塑成型上，但這一過程將面臨挑戰，無法生產出具有劇烈過渡的管道形狀。這個管道部分的高度略低于3英尺。伊頓現在正在使用增材制造來生產這種高達6英尺的飛機管道。

空氣處理管道似乎是一個簡單的部件，但當該管道是飛機上環境控制系統的一部分時，它可能需要滿足許多要求。

“有一個非常廣泛的清單，”專注于聚合物納米復合材料的高級專業工程師斯.晨（Si Chen）說，他是伊頓先進材料與工藝集團的一員。“有一個V0火焰等級：火焰必須在垂直表面上10秒內熄滅。除了振動處理和零件的特定強度要求等特定應用要求外，還有耐化學性、煙霧和毒性。”另一個值得注意的要求是管道材料必須具有靜電耗散（ESD-electrostatic dissipative）。所有這些需求都必須滿足，因為零件的幾何形狀也很復雜，足以繞過飛機的其他部件。鋁一直是制造滿足所有這些需求的飛機管道的首選材料，但斯.晨是伊頓團隊的一員，該團隊現在已經實現了一種潛在的更快、更便宜、更靈活的飛機管道制造方法。聚合物復合材料3D打印提供了一種按需生產管道的方法，無需工具，設計自由度更高。

該解決方案的關鍵是開發一種3D可打印材料，該材料與鋁一樣或更好地滿足飛機應用的所有要求。伊頓的材料是經過多年開發工作的產物，是一種碳纖維增強PEKK，專門用于管道系統。

賈韋德·馬普卡爾（Javed Mapkar）是伊頓同一集團的高級技術經理。這種材料已經準備好了——在伊頓的內部測試中得到了驗證——目前正在通過第三方測試，以便在飛機生產中替代鋁。這項工作目前正在通過威奇托州立大學的國家航空研究所（NIAR）進行。他說：“對于這種ESD PEKK材料，我們正在努力使其符合B基允許值。我們需要制作多批材料，在多臺不同的打印機上打印，并顯示可重復性。”

伊頓工程師斯.晨（Si Chen）列出了應用于飛機管道的納米復合材料必須滿足的要求。它們包括阻燃性、耐化學性和抗振動性，并且材料必須具有靜電耗散性。

顆粒給料3D打印系統簡化了材料開發，但也提供了一種同時輸送足夠材料用于無人值守生產多個大型管道的方法。

3D Systems Titan 3D打印機在伊頓位于密歇根州南菲爾德的工廠使用，該工廠已經完成了管道相關材料和工藝開發。這臺機器和增材制造工程師吉米·沃德在一起。機器的尺寸允許同時生產多個大型管道段。

能夠使用顆粒材料的3D打印平臺也是該解決方案的一部分，也是目前正在鑒定的過程的一部分。材料開發是在3D Systems的Titan顆粒給料擠出3D打印機上完成的，零件也已在該打印機上制作完成。伊頓本可以尋求一種使用擠出3D打印中更常見的細絲形式材料的解決方案，但生產顆粒形式的材料簡化并加快了材料開發。顆粒庫存還提供了一種更實用的方法，可以部署足夠的材料，用于無人值守的多個大型飛機管道。所使用的Titan機器的構建體積為50×50×72英寸，可以以每次構建4到8個管道的倍數3D打印高達6英尺的管道——這就是生產最終需要的。

斯.晨和馬普卡爾說，根據管道的大小和數量，制造這樣的零件可能需要12到15個小時。重要的是，在這種結構中，管道也可能完全不同。飛機的生產量足夠小，飛機上的風管設計也足夠多樣化，因此風管制造本質上是高混合、低批量的生產，但由成型鋁制成的風管受制于硬工具。取消這種工具的機會簡化了制造，給設計帶來了新的自由，也使快速開發、測試和修改新設計成為可能。

賈韋德·馬普卡爾表示，在對材料和工藝進行鑒定后，伊頓正在考慮如何將這種新選擇帶給飛機制造商的各種方案。該公司已經有了金屬飛機零件增材制造生產設施的先例，因此一種可能性可能是建立一個類似于該金屬零件現場的無工具工廠，用于按需生產3D打印復合材料管道。

伊頓高級技術經理賈韋德·馬普卡爾（JavedMapkar）認為，一旦PEKK材料和AM工藝合格，各種可能的途徑都會出現。管道柔性零件生產設施就是其中之一。

今天有資質，明天有更好的飛機。現在，該公司正在承擔鑒定成本，以便將通過金屬鑄造的飛機零件轉換為3D打印。今天的投資將加快未來3D打印零件的鑒定，使設計工程師能夠充分探索增材的自由度。

如今，伊頓增材工廠的一個重點是將通過鑄造制造的飛機零件轉換為3D打印。交付周期的節省保證了這一點，通常也有輕量級和組裝整合的機會。挑戰在于資格。

對于伊頓航空航天集團來說，零部件生產增材制造的發展意味著垂直整合。去年，該公司在南卡羅來納州查爾斯頓的一個現有飛機零部件生產基地內開設并開始運營一個新的以航空航天和生產為重點的AM工廠。這家新工廠目前擁有三臺粉末床金屬AM機器和后處理設備，隨著更多機器的增加，預計產能將增加一倍或三倍，加入了位于密歇根州紹斯菲爾德和印度浦那的伊頓AM開發中心，這些中心現在也將用于零件生產。

該公司航空航天增材制造總監麥克·約克（Mike York）表示：“我們現在在整個公司有大約250名員工，至少將我們的增材制造工作作為他們工作的一部分。”。這包括伊頓在全球各地從事AM工作的員工。參與這項工作的人員加上新設施的開放，是AM現在參與公司生產的各個方面。AM的努力主要是實驗性的和發展性的，這是一段重要而必要的時間，但那段時間已經過去了。約克說，對于伊頓及其客戶來說，“增材的理由已經提出”。現在的任務是贏得更多?計劃并交付AM生產零件。

喬治·埃爾赫洛（Georges Elhelou）領導查爾斯頓新的增材工廠。該工廠的主要目的是通過AM進行零件生產。

喬治·埃爾赫洛，增材制造業工業化經理，領導查爾斯頓新的增材工廠。為什么要垂直整合？他為伊頓解釋了AM和內包之間的聯系。

這種聯系在很大程度上可以通過3D打印在許多情況下正在取代的一種操作來解釋：鑄造。埃爾赫洛說：“我們的目標是盡可能多地將鑄造轉變為增材制造。”。鑄造增加了交付周期以及供應鏈的復雜性。因為它是由鑄造廠執行的，所以它本質上是一種外包操作。由于鑄件對零件幾何結構的約束，幾何復雜性通常涉及將鑄件與其他來源零部件匹配的部件。因此，伊頓的目標是將今天通過鑄造制造的近凈形狀零件（因此是外部制造的）轉化為通過激光粉末床熔化或電子束熔化在內部制造的更近凈形狀的零件，并實現與這些轉換后的零件的組裝整合，從而增材不僅取代鑄件，而且取代其他部件和勞動力以及連接它們的連接或緊固件。

埃爾赫洛說，使用增材來減少零件數量和簡化采購將只是一個開始。今天取得控制權將為明天奠定基礎。隨著增材作為一種經過驗證甚至是預期的生產手段，設計未來部件的工程師將能夠利用AM的自由度，實現性能更好的零件設計，以實現更高效、更強大的未來飛機。

之所以選擇南卡羅來納州的工廠，是因為這里已經在進行飛機零部件生產，AM依賴并必須與一些已經建立的生產能力相結合。具體來說，之所以選擇查爾斯頓工廠，是因為這里進行了大量的數控加工。金屬AM飛機零件需要數控加工，南卡羅來納州團隊是伊頓提供這一專業知識的領先團隊之一。機械加工最終是通過AM生產金屬零件的一部分，現在的集成包括將金屬3D打印和機械加工結合在一起。

資質基礎

查爾斯頓工廠為航空航天服務，并專門為航空航天應用增材。伊頓本身是許多市場的制造商，電氣元件可能是其最大的產品類別。其航空航天集團是商用和軍用飛機供應商以及航天器生產商的一級承包商，供應與機械驅動以及燃料和液壓輸送相關的部件和子系統。多年來，伊頓及其客戶都清楚地知道，AM對此類部件有承諾，尤其是對更換鑄件有承諾。在Southfield和Pune工廠，伊頓與客戶合作，通過研究、測試、原型設計和概念驗證組件來證明和驗證這一承諾?，F在是生產——從鑄造到增材的轉變所面臨的挑戰可以用一個詞來表達：合格。

埃爾赫洛說：“我們必須滿足客戶的質量標準和FAA（美國聯邦航空管理局）的要求，即新的增材成分是對之前已經合格的零件的可接受替代品。”。

這可能是一個漫長而困難的工作。事實上，這是一項成本高昂的工作，如今，伊頓正在對增材進行投資，以支持客戶并與客戶合作，從而獲得資格。

對一個零件進行增材生產的鑒定簡化了對未來類似零件的鑒定。伊頓工廠目前正在生產一個與此類似的噴射泵組件。

埃爾赫洛說，關鍵是部分資格數據的成功正在累積。美國聯邦航空管理局（FAA）已經表示愿意接受一個零件合格評定的成功適用于類似的零件，因此不必重復努力。這對伊頓來說可能是一個巨大的優勢，因為伊頓為不同的飛機客戶生產某些彼此相似的零件。因此，伊頓現在正著手將零件從鑄造中轉換出來，以期在最有機會獲得基礎資格的情況下，為未來的增材零件贏得有希望的先例。從頭開始進行新的資格認證是昂貴的，但今天的費用將在未來更容易獲得資格的相關部分產生回報。伊頓選擇今天承擔的生產工作有難度、關鍵性和零件族多樣性。

埃爾赫洛和約克表示，有很多機會——如果伊頓能夠承擔資質成本，許多零部件客戶希望看到轉向AM。目前，查爾斯頓工廠的AM轉換管道中有大約50個生產飛行硬件組件。伊頓已獲得20項商業獎勵。在查爾斯頓和更成熟的南菲爾德工廠之間，有三個部件正在生產：一個噴氣泵、一個地面加油系統的部件和一個戰斗機沖壓空氣閥。

約克補充道：“現在僅靠成本是無法實現的。我們需要讓客戶相信，生產卓越的設計和系統解決方案是有價值的。要實現這一目標，我們必須建立能力……”

噴射泵是一種通過激光粉末床熔接制成的鋁組件，它取代了過去的11個零件的組件，除了簡化制造外，還減少了30%的重量。但這些改進所節省的費用不足以抵消通過新的制造方法鑒定新零件的成本。埃爾赫洛表示：“支付資格費的商業案例可能很有挑戰性，但這將使我們稍后通過類似的部件獲得更大的盈利能力。”。

約克補充道：“現在僅靠成本是無法實現的。我們需要讓客戶相信生產卓越設計和系統解決方案的價值。要實現這一目標，我們必須通過近期的成功，立即建立能力。”能力建設和資格先例是代表長期投資的近期成本。

伊頓在查爾斯頓的工廠使用了通用電氣增材公司的Spectra L Arcam EBM機器，以及該公司的另一個重要設備。粉末回收站對復雜的EBM零件進行自動空氣噴射，以進行沉淀。

我在訪問期間偶然看到的發展中的一個組件代表了發展能力的一個例子，在這種情況下，通過接受困難。根據伊頓的要求，該組件的細節和性質是保密的，但鈦合金6Al-4V部件包括復雜的內部通道和80多個外部端口。它將通過電子束熔化制成，除其他外，這是一個重大的去粉末挑戰。Arcam EBM機器的供應商GE Additive提供的高壓空氣除粉機將作為除粉過程的一部分，伊頓自行開發的步驟也將如此。所有這些都將適用于未來具有歧管狀內部通道的零件，實際上每一個內部通道都比這個復雜的零件更不具挑戰性。

查爾斯頓的兩臺激光粉末床聚變機之一是EOS的四激光系統。

另一臺激光粉末床熔接機是Trumpf的Truprint機器。埃爾赫洛表示，由于客戶有時會指定或更喜歡某些機器類型，因此該工廠擁有來自不同公司的平臺是很有價值的

為了進一步發展其能力，伊頓還采取了代表航空航天子部門多樣性的額外工作——尋求在商業、軍事和太空以及材料和平臺方面大致均衡的分配。查爾斯頓AM工廠專門執行金屬粉末床融合，但這一重點涵蓋了一系列選項。現場的平臺目前包括一臺用于鋁和鈦的EOS M400四激光機，一臺用于鈦的GE Additive Arcam Spectra L EBM機，以及一臺內部加熱至500°C的Trumpf Truprint 5000激光粉末床熔接機，用于各種有利于這種高溫的材料，包括鈦和不銹鋼。所有這些都被應用于該任務，以成功制造能夠獲得資格作為鑄件替代品的零件。

三個階段

AM機器的數量將擴大。埃爾赫洛說，另外兩臺機器即將問世，很快還會有兩三臺。平臺的范圍也會擴大嗎？他說，很可能不得不這樣做。雖然生產機會需要更多的機器，但AM技術的快速發展將要求采用不同的系統。對增材的擁抱是一個長期變革的開始，伊頓為增材的發展制定的計劃中包含了變革的期望。

他說，“第一階段是我們現在的處境——利用當前的機器。”這包括利用當前的機械品牌。他說：“行業還沒有準備好說機器制造商和型號無關緊要。”因此，該公司可能會在現有的三個機器品牌之外，再增加一個機器品牌，用于支持第四種機器類型的零件或客戶。在那之后，可能會開始整合到一個功能上。“在第二階段，我們將在2024年用代表最先進水平的任何機器類型來擴大我們的能力。然后，在第三階段，我們利用我們的知識，使用10年后最好的機器來擴大我們的增材生產能力。”他說，到那時，最好的選擇可能不是激光粉末床或EBM，也可能不是今天用戶顯而易見的任何系統。

對鑄件的關注也是暫時的——盡管今天這是伊頓航空航天集團在增材方面看到的引人注目的機會領域。伊頓正在生產的地面加油組件說明了這一點。增材零件與鑄件沒有顯著差異，但生產鑄件的鑄造廠過度擴張。

埃爾赫洛說，對于像這樣的非飛行組件應用，“鑄造成本可能是增材版本成本的三分之一，但你無法獲得零件。”。但對于增材，他說，“如果你需要250個，我們可以安排他們在下個月內交付。”

將這種沖壓空氣閥改為增材，用兩個零件替換了22個零件，簡化了采購。

與此同時，AM生產的沖壓空氣閥與冷卻戰斗機的電子設備和駕駛艙有關，它是如何以不同的方式證明這一點的。該閥的增材版本將22個零件合并為兩個。

他說：“所有22個零件都是從外部采購的，包括兩個大型鑄件以及墊片和緊固件。”。“它們來自螺紋加工、沖壓和鑄造。質量人員必須管理所有這些。它們必須進行庫存管理。供應鏈管理中存在問題。如果你只缺少其中一個零件，你就無法發貨。”相比之下，增材主要只打印兩個零件，并在伊頓內部進行打印。目前，AM是關于實現這種控制的。

目前，伊頓客戶對增材的需求是響應能力和控制能力。零件的生產運行可以在相對較短的時間內快速生產和交付。今天零件轉換為增材的成功將為未來零件的設計奠定基礎，這些零件旨在充分利用增材的可能性。

但它將越來越多地致力于改進飛機，并達到飛機所能達到的下一個性能水平。以下是伊頓及其客戶將開始放棄鑄件作為增材的起點的地方。習慣于AM與伊頓一起生產以前的鑄件的客戶將理所當然地認為3D打印是理所當然的，他們將與伊頓合作，利用AM才能生產的復雜組件將其用于下一代飛機。

“我們增材的最終目標是新產品，”約克說。從飛機設計工程的一開始就應用增材，而不僅僅是可以轉換的零件，這為實現幾個顯著的好處提供了機會。他說，為了讓飛機更充分地利用它，AM將提供“更快的速度、更高的性能、更低的制造成本和20%到30%的重量節省”，所有這些好處都可以同時實現。

原文見：

1. 《 Eaton developing carbon-reinforced PEKK to replace aluminum in aircraft air ducts 》 2024.3.4
2. 《 Qualification Today, Better Aircraft Tomorrow — Eaton’s Additive Manufacturing Strategy 2022.8.29