跳出对于FGF的传统认知

行业内很多人认为颗粒料挤出3D打印或者FGF技术更多用在家居、雕塑和民用领域，AM易道必须要和大家分享这项技术在航空航天领域大展拳脚的实际案例，以便业内同僚能有跳出传统认知，调整思考方向。

这个案例是美国的伊顿公司开发的聚合物（PEKK+CF Reinforced）复合材料（改性聚醚酮酮+碳纤增强）制成的飞机排/通气管道。这个案例展示了如何通过颗粒料挤出技术来3D打印技术，以更快、更灵活的方式生产并代替原有金属材料的航空部件。

伊顿公司的来头在深入探讨案例之前，让我们先来了解一下伊顿公司。伊顿是一家销售额200亿美元左右的知名动力管理公司（在美国的国防工业，航空航天领域是不可忽视的技术力量）。它的业务涵盖电气、液压和机械动力,以及航空航天、车辆、建筑等诸多领域。在航空航天领域,伊顿是一家大型合同制造商，为各大飞机制造商提供燃油、液压、空调等系统部件。

伊顿公司在增材制造(即3D打印)领域有着丰富的经验和实践。除了本文要重点介绍的聚合物基复合材料管道外，该公司还成功应用金属3D打印技术实现了飞机燃油系统部件的批量生产。可以说，伊顿公司是航空航天领域应用增材制造技术的先行者之一。关注航空航天3D打印的从业者和投资人都一直关注伊顿在3D打印方面的应用。
飞机上排气管道的苛刻要求AM易道直接上干货，以下技术要求是伊顿的技术人员的公开分享，建议有相关读者朋友划线收藏：飞机的环境控制系统中，空气管道虽然看似简单，但实际上需要满足一系列严格的要求,包括:

• 阻燃性：表面（垂直）上的火焰必须在10秒内熄灭

• 化学稳定性和低烟毒性

• 抗振动和高强度

• 静电耗散(ESD)性能

此外，由于要绕过飞机内众多的部件，管道往往具有非常复杂的几何形状。传统上，成型铝材是制造这些管道的首选材料。

FGF 3D打印：对铝合金和吹塑工艺的抛弃
作为航空航天领域的大型合同制造商，伊顿公司开发出了一种新的解决方案：用3D打印的聚合物基复合材料来制造管道，以取代传统的金属材料和工艺。

这种方法的优势在于：

• 按需生产，无需制作模具

• 拥有更大的设计自由度

• 缩短生产周期，简化后处理工序

伊顿公司高级技术经理介绍说，他们原本考虑采用吹塑成型工艺，但很快发现这种工艺局限性太大，尤其是难以应对飞机管道中常见的快速变化的复杂截面形状。此外，航空领域的高混合低批量生产模式也意味着沿用传统工艺将导致高昂的模具成本。因此，他们决定转向3D打印技术。
核心技术之一：定制研发材料要实现飞机管道的3D打印，最关键的是要开发出合适的材料。这种材料必须能像金属铝材一样满足各项性能要求，同时还要易于3D打印。

伊顿公司的材料开发团队经过多年研发，开发出了一种碳纤维增强PEKK材料。同时添加了纳米级的添加剂/填料，与传统的连续碳纤维复合材料不同。

这种材料专门针对3D打印进行了优化：

• 良好的可打印性

• 高熔体强度，能在成型过程中保持形状稳定性

• 优异的层间结合强度，Z向强度可达XY向的60-65%

• 可定制的导电性，满足ESD要求

据非公开内容，AM易道猜测在材料配方开发过程中，研究人员对多种添加剂进行了筛选和优化，猜测包括碳纳米管、石墨烯等纳米增强相，以及改性剂、偶联剂等。通过精确控制各组分的用量和分散状态，他们使复合材料的性能达到最优。

AM易道猜测，在3D打印工艺优化方面，研究人员针对PEKK材料的流变特性，对打印过程的各个环节进行了系统调试，包括料仓温度、挤出温度、打印速度、层厚等参数，以及打印路径规划、支撑结构设计等。通过工艺优化，他们实现了管道的精确成型，内外表面光洁度高。
选择设备的思路在开发出合适的材料后，接下来的问题是要选择一台能够充分发挥材料性能，同时满足生产需求的3D打印机。起初，该项目是从一台价值1000美元的小型3D打印机起步的。但为了实现稳定的批量生产，他们需要一台更加可靠、重复性更高的设备。同时，由于飞机管道尺寸较大，设备的成型尺寸也必须能满足要求。

综合考虑，伊顿公司选择了美某数字开头的知名公司的Pellet 3D打印机。这台设备采用熔融挤出粒料（FGF）工艺，与其他的丝材挤出或SLS工艺相比，其优势在于：

• 更大的构建体积

• 更快的打印速度，最高可达50磅/小时

• 粒料材料易于开发和使用，公司可自行配制

• 在生产应用方面更加成熟，零件重复性有保证

据Eaton介绍，使用这台设备，他们能够在12小时内一次性打印出带有多个变径的大型管道，大幅缩短了生产周期。

值得一提的是，AM易道想额外分享，相比于传统的FDM设备，粒料挤出设备在进料系统和打印头设计上与传统的丝材挤出机有很大不同。为了适应PEKK复合材料的高温成型需求，设备得采用耐热合金制造螺杆、喷嘴等关键部件，并配备了精密的温度控制系统，实现了材料在成型过程中的稳定输送和均匀受热。
零件上飞机的下一步工作目前，伊顿公司正在与国家航空研究所（NIAR）合作，对ESD PEKK材料进行B-basis数据库认证，以实现其批量生产飞机管道的目标。为此，他们正在对材料的批次稳定性和多台设备的工艺重复性进行验证。AM易道给大家介绍下美国的B-basis认证是什么：
B-basis数据库认证是一种材料性能统计分析方法，常用于航空航天领域，用以确保材料满足设计和安全要求。这个过程通过对材料性能数据进行统计学分析，建立材料性能的保证值，为设计和质量控制提供依据。下面是B-basis数据库认证的一般流程：

1. 材料制备：按照规定的工艺参数，制备一定数量的材料样品。

2. 性能测试：对制备的样品进行各项性能测试，如拉伸、压缩、弯曲、冲击、疲劳等，获得材料性能数据。

3. 数据整理：将测试得到的数据进行整理、筛选，剔除异常值，确保数据的有效性和一致性。

4. 统计分析：使用适当的统计学方法对数据进行分析，通常采用A-basis或B-basis方法。B-basis法保证值为单侧容差限的下限，置信水平为95%。

5. 建立材料性能数据库：根据统计分析的结果，建立材料性能的B-basis值数据库，包括各项性能指标的保证值。

6. 验证与批准：将建立的数据库提交给相关的认证机构进行审核和批准，确保其满足航空航天领域的材料性能要求。

7. 应用与持续监控：获得批准后，B-basis材料性能数据库可用于材料选择、结构设计、质量控制等环节。同时需要对材料性能进行持续监控，确保批量生产的材料性能始终符合B-basis值的要求。

通过B-basis数据库认证，材料供应商可以向用户提供材料性能的统计保证值，用户可以根据这些保证值进行可靠的设计和质量控制，提高产品的安全性和可靠性。对于航空航天等对材料性能要求极高的领域，B-basis认证是一个非常重要的环节，是材料应用的必要前提。

写在最后

伊顿公司的案例对于3D打印行业从业者而言，有非常重要的启示意义：我们往往认为粒料挤出成型设备主要用于制造艺术品、家居或工业用品等，但伊顿公司的实践告诉我们，它在航空航天领域同样大有可为。这意味着相关设备和材料供应商要开阔思路，深入挖掘在航空等高端制造领域的应用机会。

3D打印最大的魅力之一就在于材料的可定制性。伊顿公司能够开发出满足特定应用要求的高性能材料，正是得益于他们对增材制造工艺的深刻理解。这启示我们，在3D打印领域，材料、设备、工艺三者缺一不可，只有三者相互匹配、协同优化，才能真正发挥出增材制造的优势。

最后，AM易道认为，任何新技术要想实现产业化，关键是要聚焦细分应用，攻克具体问题。伊顿公司瞄准了飞机气道这一具体部件，才有的放矢地开展技术攻关，这种针对具体零件进行全链条贯穿式的技术突破值得国内从业者学习。