增材制造技術(shù)賦能航空碳中和,？

來源：航空工業(yè)綜合所

繼2021年,，碳達(dá)峰、碳中和首次被寫入中國政府工作報告后，正在進(jìn)行的兩會中碳中和再次成為熱議話題。全球升溫已經(jīng)導(dǎo)致氣候風(fēng)險越來越高,，實現(xiàn)碳中和是當(dāng)今世界最為緊迫的使命。從全球范圍的碳排放總量來看,，航空業(yè)其實并非碳排放的超級大戶,，但絕對是碳減排的“困難戶”。隨著飛機(jī)數(shù)量的增加,，不斷探索和完善各種節(jié)能減排手段以達(dá)到航空業(yè)碳中和的既定目標(biāo)依然是一個極具挑戰(zhàn)的任務(wù),。

增材制造賦能航空業(yè)全生命周期碳中和
盧秉恒院士指出：“未來中國制造業(yè)中等材、減材、增材三分天下”,。尤其是在航空領(lǐng)域,，增材制造擁有可以減輕飛機(jī)重量、成形復(fù)雜零部件以及實現(xiàn)零部件集成等獨特優(yōu)勢,，已經(jīng)展示了重大價值和廣闊的應(yīng)用前景,。國產(chǎn)大型客機(jī) C919 的部件采用了增材制造技術(shù)加工中央翼線條；波音787夢幻飛機(jī)上有30個由增材制造技術(shù)制造的零件,；GE公司先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)GE9X,，有三分之一以上的部件是由增材制造來完成的,，如圖1所示,。

圖1 GE推出的增材制造占35%的航空飛機(jī)發(fā)動機(jī)GE9X

當(dāng)我們以發(fā)展的眼光考慮航空產(chǎn)品設(shè)計制造、航空運輸,、產(chǎn)品維修維護(hù)整個產(chǎn)品生命周期時,，增材制造技術(shù)的特點決定了在碳中和方面相比傳統(tǒng)制造具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。

（一）設(shè)計制造
1. 無需開模,，快速迭代,。增材制造技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件,，這將極大的減少迭代過程,，縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期，研制過程中的能耗顯著降低,。北航王華明教授曾表示,，中國現(xiàn)在采用增材制造技術(shù)僅需55天就可以打印出C919飛機(jī)駕駛艙玻璃窗框架，而歐洲一家飛機(jī)制造公司表示,，他們生產(chǎn)同樣的東西至少要2年,，中國采用增材制造技術(shù)大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了效率,。

2. 凈成形,，材料利用率高。增材制造實現(xiàn)碳中和的一種關(guān)鍵方式是對每個零件,、部件,、產(chǎn)品所用的材料減少。增材制造屬于凈成形,，對比傳統(tǒng)制造的切削銑刨磨環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢料大大減少,，最終產(chǎn)品的材料使用率有巨大的提升。此外,，通過拓?fù)鋬?yōu)化,，形成點陣結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)等,，也可達(dá)到節(jié)約材料的目的,，如圖2所示,。

圖2 （a）飛機(jī)機(jī)翼拓?fù)鋬?yōu)化（b）發(fā)動機(jī)的薄壁晶格填充

3. 功能結(jié)構(gòu)集成，減少加工及裝配工序,。增材技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序,，在一臺設(shè)備上可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實現(xiàn)了零件功能和結(jié)構(gòu)的集成,，并大大減少加工工序以及裝配工序,，實現(xiàn)了制造過程的低碳目標(biāo)。

（二）航空運輸
1. 重量減輕,，減少燃料消耗,。對于航空裝備而言，減重是其永恒不變的主題,，減輕5%的重量可以節(jié)約20%的燃油消耗,。增材制造可以通過降低飛機(jī)零部件重量的方式來減少運輸過程中的能耗。

2. 提高發(fā)動機(jī)燃燒效率,，減少燃料消耗,。在發(fā)動機(jī)的內(nèi)部，增材制造技術(shù)完成燃燒室和許多結(jié)構(gòu)元件的制造,，這使得發(fā)動機(jī)更簡潔,、更輕和更緊湊，這使其僅僅通過設(shè)計提高燃料燃燒效率帶來的節(jié)約燃料達(dá)15%,。

3. 按需打印,，減少能源浪費。現(xiàn)場和按需打印制造減少了整體能源浪費并減少了碳足跡,。組裝,、運輸、物流,、存儲等環(huán)境成本幾乎被消除,，從而改善能源和資源的使用。

（三）維修維護(hù)
1. 循環(huán)利用,，綠色低碳,。增材制造可以通過制粉技術(shù)實現(xiàn)對廢棄零部件的再利用，實現(xiàn)航空制造業(yè)朝著循環(huán)經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展,。例如美國MolyWorks的技術(shù)思路是將金屬打印的廢料轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)粉末,，同時該公司提出了“Mobile Foundry”的業(yè)務(wù)發(fā)展模式，即在金屬廢料的產(chǎn)生地現(xiàn)場消化并轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)粉末,。

2. 局部修復(fù),，避免部件報廢。基于增材制造逐層制造的特點,，只需將受損的部件看作是一種特殊的基材,，在受損部位進(jìn)行激光立體成形，就可以恢復(fù)零件形狀,，且性能滿足使用要求,，這就實現(xiàn)了零件制造過程的良性低碳循環(huán)，節(jié)省了生產(chǎn)新的材料和零部件消耗的能源,。例如渦輪葉盤零件為例,，當(dāng)盤上的某一葉片受損，只需要利用增材制造技術(shù)修復(fù)受損葉片,，即可恢復(fù)葉盤功能,，避免整個渦輪葉盤報廢。

3. 提高零件性能,，增加使用壽命,。通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu),，能使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出最合理化的分布,，減少疲勞裂紋產(chǎn)生的危險，從而增加使用壽命,，降低碳足跡,。例如美國F16戰(zhàn)機(jī)上使用3D技術(shù)制造的起落架，不僅滿足使用標(biāo)準(zhǔn),，而且平均壽命是原來的2.5倍,。

未來方向建議
為進(jìn)一步提升增材制造實現(xiàn)航空業(yè)碳中和的能力，提出以下幾個發(fā)展方向,。

1. 材料微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化,。通過材料基因組建立專業(yè)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能優(yōu)化選材,。通過建立成分,、工藝、微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,，根據(jù)材料的性能設(shè)計出滿足碳中和要求的微觀結(jié)構(gòu),。

2. 結(jié)構(gòu)和多學(xué)科拓?fù)鋬?yōu)化。引入多物理驅(qū)動的體積設(shè)計,，將多尺度特征和多類型材料進(jìn)行數(shù)字化整合,，保持必要機(jī)械性能以及實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能融合基礎(chǔ)上減少材料消耗，減輕零部件重量,。

3. 人工智能,、數(shù)據(jù)孿生技術(shù)結(jié)合。集成先進(jìn)設(shè)備或技術(shù)，如過程監(jiān)控,、信息感知,、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能,、數(shù)據(jù)庫等,。將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合成增材制造數(shù)字孿生，從而通過云平臺共享和分析數(shù)據(jù)和模型,，完善增材數(shù)字生態(tài)系統(tǒng),，飛機(jī)零部件制造每個環(huán)節(jié)中增材制造都能起到減碳的關(guān)鍵作用。