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(bào)告后，正在進(jìn)行的兩會(huì)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(xiǎn)越來越高，實(shí)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(shí)并非碳排放的超級(jí)大戶，但絕對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)零部件集成等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)展示了重大價(jià)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(mèng)幻飛機(jī)上有30個(gè)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(dòng)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(dòng)機(jī)GE9X

當(dāng)我們以發(fā)展的眼光考慮航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、航空運(yùn)輸、產(chǎn)品維修維護(hù)整個(gè)產(chǎn)品生命周期時(shí)，增材制造技術(shù)的特點(diǎn)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(shì)。

（一）設(shè)計(jì)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(diǎn)是無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)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(shí)現(xiàn)碳中和的一種關(guān)鍵方式是對(duì)每個(gè)零件、部件、產(chǎn)品所用的材料減少。增材制造屬于凈成形，對(duì)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(diǎn)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(dòng)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(tái)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(shí)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(shí)現(xiàn)了制造過程的低碳目標(biāo)。

（二）航空運(yùn)輸
1. 重量減輕，減少燃料消耗。對(duì)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(yùn)輸過程中的能耗。

2. 提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，減少燃料消耗。在發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)更簡潔、更輕和更緊湊，這使其僅僅通過設(shè)計(jì)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(fèi)�，F(xiàn)場和按需打印制造減少了整體能源浪費(fèi)并減少了碳足跡。組裝、運(yùn)輸、物流、存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄零部件的再利用，實(shí)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(shí)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(bào)廢。基于增材制造逐層制造的特點(diǎn)，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(shí)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(gè)渦輪葉盤報(bào)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(xiǎn)，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(shí)現(xiàn)航空業(yè)碳中和的能力，提出以下幾個(gè)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(shí)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(jì)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(dòng)的體積設(shè)計(jì)，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(shí)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(tái)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(gè)環(huán)節(jié)中增材制造都能起到減碳的關(guān)鍵作用。