定制制造，明日工具（TOT-Tooling of Tomorrow）Airtech International位于田纳西州的最新地点为其在东南部不断增长的客户群提供材料和定制真空袋制造，也是其在美国的第一个地点（TOT 大楼，最右边），提供3D打印服务、支持和Dahltram树脂。

Airtech International（美国加利福尼亚州亨廷顿海滩）由Bill Dahlgren于1973年创立，其目标是分销真空装袋和复合材料工具的材料，为航空航天工业制造玻璃和碳纤维增强复合材料零件。航空科技迅速发展到其他行业，包括赛车运动、海洋、风能和太阳能、汽车、装甲、建筑和太空。

它还在美国、英国、卢森堡、中国和现在的印度增加了设施，并将其产品扩展为“一站式商店”，提供各种真空包装薄膜，包括超大宽度和超高温。

如今，Airtech在全球拥有800多名员工，是世界上最大的真空装袋和复合工具材料私营制造商。该公司还扩大了其工艺范围，从预浸料和热压罐固化转向湿铺和热压罐外固化，以及树脂注入。

其新的“明天的工具”（TOT）计划旨在利用Airtech在为真空袋挤出聚合物薄膜方面的专业知识，以及数十年来理解和实现复合材料制造的经验，以满足大规模3D打印工具的需求，特别是在复合材料行业，基于挤出热塑性材料的机器这项技术。

CW受邀参观了Airtech位于田纳西州斯普林菲尔德的最新美国工厂。这个15800平方米该场地提供了一个东海岸仓库、Airtech 定制产品的额外制造和4700平方米的车间。

Dahlgren 说：“这是一个交钥匙解决方案，为节省制造商的时间而定制。” “我们根据客户的要求将其切割成一定尺寸，添加标记，可以包括薄膜、剥离层和透气材料。我们为777X翼盒这样做，使用183x366cm(60英尺宽、120英尺长)的实心真空袋薄膜，50mm(2 英寸)高的褶皱需要4000条胶带才能将褶皱固定到位。这个袋子、的长度符合±6.35mm(±0.25 英寸)的放置公差。我们可以生产经检查质量，以便开箱即用。这个袋子被送到华盛顿州进行机翼生产。”

Wade指出：“我们在这里做的几乎所有事情都是用我们的材料定制的，你会在右边的进货区看到。” “我们正在将我们的真空装袋耗材转换为定制形状，以满足每个客户的特定需求，我们与客户合作，为他们的应用设计最佳的真空袋。”Wade说，这里拥有世界上最大的激光投影仪单矩阵之一，用于对齐用于准备这些定制真空袋的图案。他补充道：“我们有15个激光投影头，安装在天花板上，它们协同工作，共享资源。” “我们每次都能获得相同的精度，没有异物碎片（FOD-foreign object debris），例如，留下了纸片图案。当我们想制造更多这样的产品时，我们只需添加另一个激光投影仪。”他指出，当客户更换零件时，该系统也能为他们提供帮助。“我们只是更新CAD文件并投影新图案。”

“这是这个过程的结束，”Wade 说，“我们的许多套件都被加工成更大的组件。”他指出，随着公司生产更大的部件，这些定制袋子和套件的尺寸正在增长。

“我们看到不仅需要支持777X机翼，还需要支持太空探索技术公司的猎鹰9号有效载荷整流罩和蓝色起源公司的零件。”

这些袋子可以折叠或卷起，以便于运输和客户收到后易于处理。“工程不仅在于配套，还在于包装。这些袋子很大，你不想过度操作它们。我们与客户合作设计存储和包装，以匹配他们希望在应用程序中部署真空袋的方式。”

定制装袋套件的好处

一家公司为什么要这样做？Dahlgren 解释道：“如果他们有高周转率的物品、非常复杂的工具或非常复杂的零件，他们不想在操作中花费时间来定制和成型真空袋，我们将在这里生产，并以他们可以使用的现成形状或组合交付。” “所有这些工作都是在这里以质量控制的流程完成的，所以他们可以专注于生产实际零件的操作。”

Dahlgren说：“这些套件可以用更少的接触劳动力生产复合材料零件。” 。 “这也消除了这些公司需要熟练切割和准备这些复杂袋子的劳动力。他们可以简单地用一个随时可以使用的袋子开始生产，而且每次都是同一个袋子。你可以雇佣一名几乎不熟练的工人，让他们更快地成为真空装袋技术员。”

“节省的劳动力和灵活性帮助我们的客户提高了生产力，”他继续说道。“与真空装袋膜相比，他们将为裁片套件支付更多的费用，这意味着每平方英尺的材料成本更高，因为这需要更多的劳动力。但这仍然比他们的劳动力便宜得多，而且他们可以更快地制造零件，并减少废弃的装袋材料。在这里，我们可以将所有的废料回收到我们制造的薄膜中，所以这是一种环保环境优势也是如此。”

定制薄膜焊机和帘布层切割机我们向左走到一张大桌子前，桌子中间有一台设备，正在将两张宽包装膜焊接在一起。Dahlgren 说：“尽管Airtech 生产了一些世界上最宽的高温装袋薄膜，但这些薄膜还不够宽，无法满足我们生产的许多定制套件的需求。” 。 “因此，我们设计并制造了这种设备，用于将真空装袋膜焊接在一起，这使我们可以根据需要做多大。

我们已经为游艇船体制造了100英尺宽、150 英尺长的真空袋，以及300英尺宽、400至500英尺长的连续袋。我们还没有发现我们能制造多大的极限。”

Wade说：“这台机器可以让我们在一次操作中完成所有事情，从滚动到滚动。”。“装袋薄膜从辊上下来，焊接后再回到辊上。我们对装袋薄膜的处理要少得多，只接触到很小的一部分薄膜，而其余的都是从挤出机上生产出来的。所以，你可以得到非常宽的、不受干扰的、更高质量的薄膜。”

 

图1. 定制装袋材料和制造。Airtech的7×52米XY帘布层切割器展示了它可以为波音777X机翼和SpaceX猎鹰9号有效载荷整流罩等复合材料结构定制的高温真空装袋薄膜的尺寸。

下一站是Airtech 的XY帘布层切割机——在 X和Y方向上使用旋转切割机，将柔性材料从卷材切割成片材——同样是由Airtech设计和制造的定制机器。

Wade 说：“我们有一个用来固定材料的真空台和龙门头，根据我们使用的材料，可以使用各种切割技术。”。“我们可以使用不同打印样式的无接触喷墨打印机，如银色或黑色Sharpie或银色铅笔，打印客户指定的标记。这些标记可以用于在零件上定位指示器，以便员工知道每个袋子需要去哪里。”我们面前的帘布层切割机宽7米×长52 米，双龙门架，充分利用整个切割区域。此外，还有一个5×20 米的帘布层切割机，可以追溯到2006 年，目前仍用于较小的板材。定制产品的一致Dahlgren指出：“我们必须非常擅长的一件事是迅速培训员工。”。“因为我们生产了这么多不同的SKU，所以我们所做的一切都是独一无二的。我们不能对所有员工进行每一件商品的培训。我们必须有一种方法让他们快速学习如何生产每一件定制商品以及它应该是什么样子。我们开发的解决方案之一是设计工作说明，使其变得平易近人，让员工能够理解他们。”

Wade 说：“我们每次生产每个真空袋都能得到相同的结果。”。“我们所有的工作说明都是数字化的。员工收到一份带有条形码的工作指令，扫描条形码，它就会显示出该工作指令的详细信息。他们可以查看工作说明，其中包括照片、视频和我们需要描述员工应如何制作特定袋子的任何东西。然后，他们将这些说明与 CAD 图纸结合起来，生成各种各样的套件这就是我们需要生产的东西——从非常大的到小的组件，从每年生产两次的套件到每周生产数百甚至数千件的定制产品。”

3D 形状的袋子，仓库

我们走过另一个为具有定制 3D 形状的袋子设计的焊接区域。这些可以是为航天器生产有效载荷整流罩的袋子，也可以是在心轴上制造的紧公差零件。这里的机器也是由 Airtech 设计和制造的。

Dahlgren 说：“大多数现成的机器都无法密封真空袋以实现良好的真空完整性。”。“但我们专门为高温装袋膜设计了密封剂，考虑到了这些材料的性质。”

然后，我们经过一系列细长的刀片状部件。“这些都是为了研发，”韦德说。“我们做测试是为了弄清楚如何制作一个特殊的袋子，例如，形状奇怪的袋子，必须符合非常严格的公差，这样客户才能应用他们的工艺。”

我们穿过一扇门，来到一个大型仓库/运输区，那里有从地板到天花板的货架，里面装满了各种产品。

Dahlgren 表示：“我们在2017年的扩建增加了这个50000平方英尺的仓库。”。“我们有4000多个托盘位置用于储存原材料，我们可以从这里运出客户需要的任何产品。”

“明天的工装”（TOT- Tooling of tomorrow）建造

当我们进入 TOT 大楼时，Gregory Haye 注意到它建于2020 年。航空科技公司增材制造（AM- additive manufacturing）总监Gregory Haye 指出，运营始于2021年1月。“目前，我们有一台大规模增材制造（LSAMlarge-scale additive manufacturing）1040机器，尺寸为40×10×5英尺（长、宽、高），来自美国印第安纳州戴尔的 Thermwood。这台机器也在我们位于卢森堡的工厂。”他指出，Airtech 制造的许多零件都涉及客户的敏感信息，“因此，不幸的是，我们无法展示我们所做的很多伟大工作。”

Dahlgren 说：“我们几乎从一开始就参与了模具制造，主要是通过模具树脂和预浸料。然后我们开始看到3D打印，我们真的相信这将是模具的未来。所以，2018年，我们购买了这台机器，以开发更好的技术，生产更好的工具。”。他指出，Airtech 已经挤出热塑性真空装袋和脱模膜50年了。“我们知道挤出机、树脂和流动工程。而这台 LSAM 机器只是一个大龙门架上的小挤出机。所以，尽管听起来增材制造与我们所做的完全不同，但它实际上就在我们的驾驶室里。”

由Haye领导的TOT团队由AM世界已经建立的专家组成，其中包括一些与橡树岭国家实验室（美国田纳西州橡树岭 ORNL）合作安装和商业化其第一台机器的专家。Haye 说：“因为我们的团队已经很有经验了，所以我们从第一天起就在生产，而且我们能够很快完成项目。”。他指出，首批项目之一是用于太空工业的结构梁模具，填充 2.5×5×1 米的外壳。“在调试的前两周内，我们的机器上就有了。接下来，我们做了一个高温热压罐工具。”

与传统的热固性碳纤维增强聚合物（CFRP）工具相比，这些 3D 打印工具有何不同？它们的使用寿命是多少？“我们的交付周期更快了，”Haye 说。“根据尺寸的不同，从完成设计到工具完成，我们平均需要两周半到三周的时间。使用 Dahltram 树脂，我们打印的工具在 350°F 下完成了 500 多次热压罐循环，并且仍然可以保持 ±0.127mm（±0.005 英寸）的公差，这是用于成型航空航天复合材料的工具的典型公差。”

 

图2. 3D 打印工具和Dahltram 树脂。Airtech使用Thermwood LSAM 打印机为客户生产工具和零件（顶部），这是其支持和扩展复合材料3D 打印目标的一部分。但该公司也打算销售其复合、造粒的 Dahltram 树脂（底部），利用其数十年来在挤出热塑性真空袋和其他薄膜方面的经验，该公司配制该树脂以在基于挤出的增材制造机中提供高质量的打印产品

Dahltram 树脂

当 Airtech开始使用 LSAM 时，它对购买用于打印的树脂不太满意。达尔格伦说：“我们自己配制树脂已经将近 50 年了。”。“所以，我们开始考虑制作自己的化合物配方。”事实证明，这才是真正的目标。“是的，我们想使用增材制造制造工具，但我们不会有 50或 60 台打印机——我们的目标是向购买这些增材制造系统的每个人供应树脂。”

Dahlgren说，Airtech的客户在购买第一台 3D 打印机的路上会购买一两个工具，“而其他公司可能会在未来五年内将我们作为服务局。我们的客户组合非常多样化，但我认为大多数公司最终会购买至少一个打印系统。我们将帮助这些公司打印他们需要的工具，并最终打印他们的全系列零件。”

Dahltram打印材料由用短切碳或玻璃纤维增强的热塑性聚合物制成，并复合成颗粒。它们可以使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚醚砜（PESU）或聚醚酰亚胺（PEI）制成。Haye 说：“我们还有其他树脂即将上市，比如回收的 PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯）。“我们也在寻找对苯乙烯树脂系统制成的零件友好的材料作为工具。这对市场上许多当前的热塑性材料来说通常是一个挑战。”

Dahltram 产品包括五种商业化印刷材料和两种净化树脂系统。Haye 补充道：“我们已经与各种机器原始设备制造商验证了这些材料，证明它们可以将我们的技术数据表与其系统相匹配。”。这些3D打印树脂不仅专注于航空航天，还开发用于汽车、风能、建筑和工业应用。Haye 补充道：“我们在所有地点都有3D打印树脂库存。”。“这也给了我们交付周期优势。14-24周的交付周期很常见，我们已经承诺要打破这一优势。”

回收需要整个过程链

所有Dahltram 材料均设计为可回收材料。Haye说：“我们已经在这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。”“我们现在正在努力将可回收物重新造粒为新的原料，以建立一个如何收回工具、研磨工具并将材料回收为新原料的流程。

过去三年来，我们一直在这里保存废料，现在我们正在向前推进。”

然而，Airtech 必须确保这些材料能够重新制成新产品。Haye 说：“我们的每一种材料都有一份技术数据表，我们不会只销售来自不同来源的随机颗粒材料。”。“我们将验证这些材料的性能，以便您可以使用我们的数据表进行设计。”

Haye 继续说道：“你不能把所有东西都磨掉然后打印出来。”。“例如，颗粒尺寸的巨大差异可能会在挤出机的螺杆进料中造成阻塞点，从而导致打印过程中的不一致和质量问题。我们将回收物带回合格的原料，这意味着将其重新混合成颗粒。这也意味着我们可以拥有与机器无关的材料。”

Airtech 还回收被清除的材料。清洗挤出机是Airtech 清洗过程的一部分，用于材料更换和正常的机器维护。“然而，有时在工具的打印层之间需要这样做，”Haye 说。“例如，你可能会在打印过程中停留很长时间，在进入下一层之前，你需要对打印材料进行一次小的清洗，以确保没有材料因为在高温下闲置了很长时间而退化。”

Dahlgren 说：“我们收集被清除的材料，重新研磨，然后进行一系列的复合处理，重新格式化材料。”。“我们还生产自己的清洁净化颗粒。我们采用生态系统方法来确保整个过程链正常工作，这使回收变得可行。”

机械加工、真空完整性、工具设计

我们走过一个 1.5×2.4×2.4 米的 3D 打印大型飞机发动机机舱工具的一半。Haye 指出：“它的镜像一半在正在打印的 LSAM 中。”。“两半都用螺栓固定在一起，然后我们将进行精加工。”他指出，几乎每个打印品都经过加工和 3D 激光扫描，以确保印刷零件在加工前符合 STL 模型的精度。

 

图3. 精密印刷、机械加工和真空完整性。为了确保准确性，Airtech 3D 激光在加工3D 打印零件之前会对其进行扫描。Airtech 3D 打印工具使用Dahltram 树脂，在350°F 下完成了500多次热压罐循环，同时保持±0.005 英寸的公差，这是用于成型航空航天复合材料的典型工具。

尽管机舱工具将进行机械加工，但它已经有了相当光滑的表面。Airtech 在这里使用了比支撑结构更高的打印分辨率，由于打印珠更大，支撑结构很粗糙。Haye 说：“当我们加工这种工具时，我们会从 1.5英寸厚的打印面板上去除标称 0.25 英寸的材料。”。

“工具面使用两个打印珠，因为我们知道我们要加工掉一部分，而备用结构只有一个珠，因为它不需要加工。”

打印工具表面厚度是否影响其真空完整性？Haye说，Airtech 工具具有真空完整性，这不是因为厚度，而是因为材料和加工方式。“我们已经在打印时厚度低至 0.25 英寸的面板上演示了这一点。当我们刚开始时，我们在各处打印了两个珠子。但随着我们积累数据和进行更多设计模拟，我们正在学习更多。我们也在验证这些模拟，在内部对工具进行热循环。我们一直在努力提高工具在材料和/或设计过程中的效率，但我们谨慎行事，并始终进行验证。”

这些工具和零件是如何设计的？Haye 说：“客户通常会给我们零件或工具表面的数字设计文件，再加上他们的要求清单和我们需要的技术输入。然后我们设计备份结构。大多数客户对如何设计增材制造没有经验，尤其是大型工具。但我们有。”。例如，我们尽量减少打印工具表面背面的接触，以最大限度地减少大型散热器，同时也减少材料使用。因此，该工具在尺寸上是稳定的，但在热方面也能发挥应有的作用。”

Haye 补充道：“我们还开发了退火循环，使这些工具的尺寸更加稳定。”。“例如，我们可以在加工阶段之间或印刷后添加加热过程，以减少或缓解残余应力，从而保持高表面精度。这些工具的公差为±0.005英寸。”

验证，实现航空航天质量

Haye 说：“我们所有的材料都是通过打印样本进行验证的。”。“我们使用打印面板和样品，而不是热塑性塑料行业典型的注射成型狗骨试样，对材料进行全面的机械评估和热表征。”Airtech 还验证了其材料的加工窗口。“我们记录挤出机的温度数据，并将其与印刷样品测试相关联，这样我们就可以与机器制造商共同开发挤出型材，机器制造商会说，在这台机器上，这些温度是获得最佳结果的温度。”

 

 

图4. 验证过程温度。Airtech 使用两个红外相机-一个用于打印层，一个用于下面的表面-来验证最佳打印参数，以确保层之间的良好粘合性和高机械性能

“我们还为它们提供了最佳的层温度，”Haye说。“我们测量我们打印的每一层和打印表面之间的界面温度。”这是使用两台 Flir（美国俄勒冈州威尔森维尔的 Teledyne Flir）热（红外）相机完成的，一台用于打印层，一个用于下面的表面。他解释道：“如果这个界面的温度不够高，你就无法获得良好的附着力。”。“我们知道确切的温度，其中有一个最佳和安全的范围。但我们也突破了极限，看看如果超过最佳温度会发生什么，这会对机械性能产生什么影响？我们有异常情况的数据，我们还研究了几何结构变化时的热梯度。”

Haye说：“我们的目标是使这项技术取得成功，并促进其被更多人采用。”。“因此，我们与所有基于挤压的 3D 打印机制造商合作，使用验证流程，在我们的支持下，他们使用我们的材料进行打印，以确保他们能够正确处理材料。但这也会导致零件能够满足严格的技术要求。因此，客户是否在 CEAD（荷兰代尔夫特）的机器人打印机上打印并不重要或大型龙门机器，其结果和性能，甚至热膨胀系数（CTE- coefficientof thermal expansion），都与预期完全一样，也与零件设计和工艺工程中的模型完全一样。”

最后一句话听起来很像航空航天工业的做法。

“我确实认为这有助于我们理解对航空航天的期望，”他说。“我们想把整个市场拉上这条曲线。同样，我们正在追求成功，这会导致更多的采用率。对于一些机器或零部件制造商来说，我们可能会说，‘嘿，我们需要这样做。’但我们有数据支持这一点，并解释原因。”

Dahlgren指出，Airtech提供了CEAD和GKNAerospace Munich（德国）用于打印空客 A350 复合材料襟翼批量生产工具的树脂（见“使复合材料 3D 打印适应不断变化的需求”。“我们的许多 3D 打印工具客户都是与我们打了 50 年交道的公司，”他说。“他们了解我们，知道我们将以提供工具树脂、预浸料和真空袋的方式为 3D 打印提供树脂，以满足他们的需求和预期质量。我们现在有了这种 3D 打印设备，这样我们就可以证明我们的树脂，做别人不想做的事情，因为我们有一定的专业知识。我们认为我们可以利用这一点来帮助扩大市场。”

增加机器，为未来实现多样化Haye 表示，Airtech TOT 工厂将根据供需情况增加更多机器，并增加新的功能。“这台 LSAM 机器提供了超大规模，”他指出，“但我们未来也将需要更小规模的系统。我们的方法是与设备无关。”

Dahlgren 补充道，TOT 大楼的设计有足够的扩展空间。他说：“我们已经接到越来越多的电话来帮助该行业打印和运行他们的系统。”。“我们成功地生产出了打印效果非常好的高质量树脂。我们知道如何实现所需的真空完整性和性能，我们可以让我们的工具经受行业如何使用它们的严格考验。”

“我认为这是我们团队与众不同之处的一部分，”Haye说道。“我们拥有全球能力、技术人员、知识和资源。我不仅依靠这些来支持我们的内部开发，而且我们也在利用这些来支持客户。例如，我们可以说，‘这是这种材料或应用程序需要满足的所有要求，因为我们已经使用它50年了。’我们真的很幸运在全公司范围内拥有这些知识库，我们正在利用这些知识来帮助我们的客户和行业。”

事实上，Airtech 在复合材料行业的领导地位最近得到了先进材料和工艺工程师协会（SAMPE）的认可，该协会认可了 Airtech 的创始人、现任首席执行官Jeff Dahlgren 的父亲Bill Dahlgren， CW 的导游之一，获得 2022 年莫特·库什纳终身成就奖。

Dahlgren 说：“我们有着令人惊叹、独特的历史。”，“因为我们是一家材料供应商，但我们也是一家为主要 OEMS 和许多其他公司生产定制套件的分包商，然后在 TOT 大楼里，我们是飞机、太空和其他行业关键领导者的首选。我们什么都有，现在你可以看到我们所做的制造产品。”

“我们家族的第三代人即将进入这家公司，”他继续说道， “我想确保我们像技术一样继续前进。增材制造是未来的关键部分。这对我们公司来说是一个重要的多元化。我们未来将推出的不同树脂和不同的打印方式将为 Airtech 提供下一个遗产。但这是我们现在已经在做的事情的延伸。这是一个自然的进步这恰好也是最新的技术。”

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