采用新型激光烧结工艺实现的添加式制造方式有可能让这家内布拉斯加州公司得以很快创造出一个以耐高温PEEK聚合物制造飞机管道产品的目标市场。

通过激光烧结技术实现的添加式制造可能给Royal Engineered Composites公司和其它愿意融合这一替代制造工艺的制造厂商争取到一些为航空航天行业制造耐高温塑料部件的业务机会。

多年以来，添加式制造设备这种以每次构建一个极细微层的方式来构建3D金属或塑料部件的设备，使得制造厂商能够快速制作出自己新产品的原型。添加式制造工艺的种类只有几种，但这种让设计人员得以制作出一些网状的部件，而这些部件在经同机加工、模压或其它方法制造时成本可能很高、耗时良久或者根本无法制造。很明显地，这项技术的下一发展阶段，也就是添加式制造设备制造商们正在努力达到的阶段，就是将此类设备投入到生产环境当中。

位于内布拉斯加州Minden的Royal Engineered Composites公司所正在进行的试验结果表明，添加式制造技术，特别是高温PEEK热塑性塑料（聚芳醚酮塑料）的激光烧结技术，有可能成为新兴的商用和军用航空航天应用的有效生产替代手段。这家专业从事复合材料结构部件的制造的公司目前正在参与一个项目，这个项目的目标是建立一种能够采用总部在德国的EOS公司新开发出来的激光烧结机来制造耐高温PEEK部件的可靠制造工艺。（位于Royal公司的EOSINT P 800高温激光烧结机是第一台安装在北美地区的同类型设备。）

一旦这一工艺得到认证，这家公司将争取到有利的市场地位，可以从航空航天客户处赢得制造用于航空电子设备冷却和供热的耐高温管道和用于固定燃油系统和接线的支架的新业务。这家公司还有可能发挥自己在这一新技术上的经验进入最常用到PEEK热塑性塑料的医疗市场。

今年早些时候，我本人访问了Royal公司，了解到了这家公司的更多情况，掌握了它的能力以及它在这个政府资助添加式制造项目中的作用。

一家不断发展进步的公司

Royal Engineered Composites公司于1949年以Royal Plastic公司的名称创建，专业从事塑料热成型业务。这家公司的名称于2010年进行了恰如其分的变更，自此之后，公司的主要重点转移到复合结构部件产品上。这些产品绝大多数都属于航天航空部件，诸如用于喷气发动机的推力反推力门、夹层板部件、减阻装置和雷达天线罩。

这家拥有120名员工的公司拥有一套制造技术组合及洁净的53000平方英尺生产设施。许多部件最先在5个洁净实验室之一制造出来，用于手工铺设模具内的复合层。其中一些实验室配备了安装在天花板上的激光复合层投射器，这些投射器能够在模具上精密地投射出一个激光轮廓，用于向作业者指示各个CNC切割复合层的放置位置。在一层铺设完毕后，这些部件将在5座高压釜之一进行硬化。这家公司最大的高压釜直径为8ft，而且有可能在计划中的设施扩建完成后再购入一座10ft直径的高压釜。

Royal还拥有不错的机加工能力。它拥有7台CNC铣床，其中6台为Haas Automation系列，型号从3轴至5轴。这家公司最大的铣床是一台60×120工作台的刳刨机。这台刳刨机配备了Tri-Tech出品的机头，提供了第4轴和第5轴运动能力。

尽管这家公司也自行机加工一些自用夹具、模具和真空吸盘，但其铣床主要用于生产作业。其复合材料部件中大约95%都要求修整掉周边的多余材料（典型情况下为0.75）。钻孔和沉孔加工也是其它常用到的机加工作业。要求正常数量机加工作业的一个有趣例子是反推力门部件。这个部件要求加工出总数7000个直径正好为0.051的孔。为了在这种极度耐磨材料上进行的如此小尺度的钻孔作业，这家公司采用了Big Kaiser出品的70000rpm气动主轴和与刀具公司Crystallume和RobbJack联合开发的定制钻石涂层钻头。

Royal将添加式制造方法视作一种对其现有自身能力的补充制造工艺。这一工艺不一定要取代这家公司所采用的任何其它制造技巧，但它有可能是一些特定应用的最有效选择方案。而耐高温PEEK飞机管道看起来就正好是这样一种应用。

诸如超音速F/A-18“大黄蜂”这样的战机目前采用尼龙作为其复杂管道的制造原材料。但是，美国海军航空系统司令部（NAVAIR）多年以前就催促波音公司开发出能够通过添加式制造以耐高温热塑性塑料制造管道的工艺，因为这些材料甚至能够在高温下还保持优异的机械和化学耐受特性。Royal同意参与这一项目，与NAVAIR和波音展开合作。

这一由Royal公司的Tim O'Dey领导的项目于7年前启动。经过细致周密地考察一系列添加式制造工艺，O'Dey先生确定激光烧结技术为制造此类管道提供了最大的希望。这在很大程度上是因为这种工艺与一些添加式制造工艺有所不同，它不要求在制造部件时为诸如悬垂和掏空这样的内部表面构造提供支撑结构。这一特点的重要性在于一些飞机管道部件拥有内部分层脉络构造，而在部件制造完成后将很难或不可能将支架构造去除掉。

激光烧结技术能够直接从3D CAD数据创建出3D物体，它采用了一束或多束CO2激光，可在一个受控的充满氮气的工作腔和粉末工作台上选择性地烧结粉末材料。在一层烧结之后（典型层厚120μm），粉末工作台下降并随后将后续一层材料沉积到前一层之上并再进行烧结。这个过程将一直重复，直至这个物体的所有层都烧结完毕。由于在构建过程中部件会在粉末工作台上连续降低，所以这个部件最终会停放在一层松散粉末层上。在部件从工作台上移走后，多余的粉末可以使用刷子和简单手工工具清除掉。

但是，在项目开始时还没有一台激光烧结机制造厂商能够供应可以产生烧结高温PEEK热塑性塑料所需要极高温度的机型。这些材料的熔点范围在428F至716F，比加工传统尼龙材料所要求的温度高出达390F。EOS是唯一一家同意开发一种不仅能够提供所必需的高温而且还能提供工艺所要求热稳定性的机型的激光烧结机制造厂商。它所设计并在去年上半年安装在Royal的EOSINT P 800提供了高达725F的加工温度，从而可以有效地加工耐高温热塑性塑料。

保持如此之高温度水平的要求向EOS公司提出一些新的设计挑战，这些挑战涉及到长期稳定性、热膨胀性管理以及系统内的温度分配。作为成果，EOSINT P 800采用了一些隔热设计特色，诸如机架所采用的玻璃陶瓷材料，这些特色确保了正确的温度分配，提供了所要求的机械精确度并保持整个过程中的热膨胀性得到控制。

加强开发

由于Royal公司在添加式制造设备方面毫无经验，所以EOS公司向该公司提供了一台尼龙激光烧结机，以便员工们能够在收到EOSINT P 800烧结机之前熟悉适应添加式制造工艺以及编程软件。

就在新设备到达之前，O'Dey先生让Kevin Christiansen改任此项目的领导职位，Christiansen先生目前负责开展针对不同的PEEK材料和部件几何形状的实验。与添加式设备首要操作员Jerry Chasek共同合作，他已经执行了一些试验，尝试评定PEEK材料的资格并针对这些材料建立可重复的工艺参数。诸如激光照射时间和作业温度这样的数据，对证明这种添加式制造工艺能够有效地用于制造可用于飞行部件具有关键性的作用。这家公司预计在今年年中达成此项目的工艺认证。

伴随着激光烧结机技术的进步，用于激光烧结的材料也正在演进着。至目前为止，Royal已经与一家适于采用激光烧结工艺的材料开发厂商Advanced Laser Materials公司（EOS是其主要股东之一）合作试验了超过30种PEEK材料等级。

做好生产准备

当然，这种一直在开发的工艺（以及设备）的目标是投入生产。例如，EOSINT P 800的控制装置允许实施远程监测，从而使得制造车间人员能够通过因特网看到某项作业的当前状态。它还可以集成一台摄像头以真实地观察正在作业中的激光烧结机。这台控制装置还可以设置成能够在设备发生示警情况时自动向相关人员发出电子邮件。它还能够收集大量可用于报告用途的工艺数据。

在作业期间，加工腔内充满了氮气，这些氮气由两台可将车间空气转化成氮气的发生器供应。除了将其压缩空气供应源升级至能够提供7 bar压力以外，Royal还决定为发生器配备蓄电池备用电源，使得这台烧结机能够在发生器电源中断的情况下继续工作。此外，还创造了粉末给料贮筒以便能够连续性地向烧结机供应粉末材料。为了让烧结后部件的清理方式更加方便，这家公司还在这台烧结机旁边设立了一个工作站，在烧结过程完成后（以及在工作台冷却后），作业人员将把这台烧结机的可取下式粉末工作台放入这个工作站，对工作台上存在的部件进行清理。一个升降平台用于将工作台从烧结机转运至这个工作站。

对这台激光烧结机的照管与操作者对机加工中心的监管方式类似。但是，不必仔细倾听刀具与工作相接触时的声音，激光烧结操作者可以倾听粉末重涂器的声音以确定是否存在问题。另外，操作者将仔细检查烧结成的部件以查看部件每一层的边缘是否在两端发生了弯曲，这种弯曲现象会在一层未与下一层完全熔融时发生。这表明工艺温度过低。

Royal还正在试验一些表面修整作业，诸如未来客户有可能要求的表面抛光和喷丸打磨。

商机出现

O'Dey先生指出，军方将会要求提供数量庞大的耐高温管道加工服务以满足其需求。因此，对于那些愿意将激光烧结技术纳入内部的加工厂来说，商机是存在的。此外，Royal正在与两家商业航空航天制造厂商合作寻求建立它们对高温PEEK部件的自有认证流程。

而且尽管Royal在目前并没有积极寻求医疗领域的业务，一些医疗OEM商已经在得知该公司具备PEEK添加式制造能力之后与其展开了业务洽谈。最后，事实有可能证明添加式制造技术正在引导这家公司走上同时为医疗行业服务的道路。