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，碳達峰、碳中和首次被寫入中國政府工作報告后，正在進行的兩會中碳中和再次成為熱議話題。全球升溫已經(jīng)導致氣候風險越來越高，實現(xiàn)碳中和是當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”。隨著飛機數(shù)量的增加，不斷探索和完善各種節(jié)能減排手段以達到航空業(yè)碳中和的既定目標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重量、成形復雜零部件以及實現(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 C919 的部件采用了增材制造技術(shù)加工中央翼線條；波音787夢幻飛機上有30個由增材制造技術(shù)制造的零件；GE公司先進的航空發(fā)動機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%的航空飛機發(fā)動機GE9X

當我們以發(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)點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(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飛機駕駛艙玻璃窗框架，而歐洲一家飛機制造公司表示，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，通過拓撲優(yōu)化，形成點陣結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)等，也可達到節(jié)約材料的目的，如圖2所示。

圖2 （a）飛機機翼拓撲優(yōu)化（b）發(fā)動機的薄壁晶格填充

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。

（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)動機燃燒效率，減少燃料消耗。在發(fā)動機的內(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15%。

3. 按需打印，減少能源浪費�，F(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
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，避免部件報廢�；�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，在受損部位進行激光立體成形，就可以恢復零件形狀，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，當盤上的某一葉片受損，只需要利用增材制造技術(shù)修復受損葉片，即可恢復葉盤功能，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)機上使用3D技術(shù)制造的起落架，不僅滿足使用標準，而且平均壽命是原來的2.5倍。

未來方向建議
為進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)和多學科拓撲優(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行數(shù)字化整合，保持必要機械性能以及實現(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。集成先進設(shè)備或技術(shù)，如過程監(jiān)控、信息感知、機器學習、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。