3D打印將如何永久改變航空業(yè)

來源：36氪

幾年前3D打印就很流行了，但是人們生活中似乎還沒有大規(guī)模的應(yīng)用？其實(shí)不然，3D打印技術(shù)已經(jīng)潛移默化地滲透進(jìn)了航空領(lǐng)域，在你看見或者看不見的地方，它早已發(fā)揮了重大的作用。本文譯自Medium，作者 Hugh R. McArthur，原標(biāo)題為“How 3D-printing can, and cannot, change aviation forever”。

大約2年前，GE航空公司的第3萬個(gè)3D打印噴氣式燃油噴嘴成功交付，他們?yōu)榇舜笏翍c祝了一番。

當(dāng)時(shí)，3D打印和增材制造(AM)技術(shù)都是熱門話題。如今，更多火爆的新生名詞，如區(qū)塊鏈，ba-dum-tss……已經(jīng)取代了3D打印這樣曾經(jīng)紅極一時(shí)的科技媒體寵兒。

不過除了某些特定的用途之外，3D打印技術(shù)的影響如今仍然是有限的，而且往往只限于咨詢公司制造昂貴的客戶平臺(tái)使用。今天我想提醒大家的是，利用液態(tài)金屬來制造零件——ok，也許不是真的 ——還是很酷的。本文就來探討3D打印技術(shù)如何徹底改變航空業(yè)供應(yīng)鏈的問題。

先明確定義
供應(yīng)鏈通常來說并不是什么令人激動(dòng)的話題，對(duì)于有些人來說，光是“物流”二字就足以讓人頭大了。這就是為什么我堅(jiān)持認(rèn)為，要使我們接下來的探索有意義，我們必須從明確定義開始。請(qǐng)對(duì)我有耐心一點(diǎn)，至少這意味著事情不會(huì)變得更糟了吧？我希望如此。

上面的圖表雖然已經(jīng)被大大簡(jiǎn)化了，但它勾勒出了目前航空領(lǐng)域的一般供應(yīng)鏈?zhǔn)鞘裁礃拥�。航空業(yè)的供應(yīng)商既包括制造小型零部件的原始設(shè)備制造商（OEM），也包括類似制造勞斯萊斯發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的大型零部件供應(yīng)商。波音、空客等飛機(jī)制造商緊隨其后。供應(yīng)鏈的下游是“客戶”，航空公司和航運(yùn)公司，如英國航空和聯(lián)邦快遞。這些 “客戶”當(dāng)然也有自己的客戶，就是坐飛機(jī)出行的乘客和有空運(yùn)需求的顧客。保養(yǎng)維護(hù)、維修和大修（MRO）公司通過為飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商提供基本服務(wù)，完善了供應(yīng)鏈。MRO公司對(duì)于航空業(yè)來說是如此的重要，以至于實(shí)際上，MRO公司才是最有可能通過增材制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用獲得巨大收益的企業(yè)。不過，關(guān)于MRO的討論以及它們?nèi)绾胃镄碌膯栴}，可能更多是技術(shù)層面的，過于晦澀，因此我們這里不再贅述。

減少碳排放
根據(jù)眾多變量計(jì)算，燃油成本可能占到飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)成本的30-50%。這是一個(gè)問題，尤其是根據(jù)國際航空運(yùn)輸局（IATA）在2018年的預(yù)測(cè)顯示，未來十年航空燃油價(jià)格將經(jīng)歷持續(xù)的、指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。航空公司運(yùn)營(yíng)成本的提高，也意味著轉(zhuǎn)嫁到我們這些消費(fèi)者身上的機(jī)票價(jià)格提高。

幸運(yùn)的是，3D打印技術(shù)固有的特性，可以幫助航空業(yè)提升燃油利用效率。首先，3D打印技術(shù)能夠整體制造中大型部件，如飛機(jī)艙門等，而不需要將較小的部件用螺栓焊接在一起（傳統(tǒng)制造方式）。由于使用了較少的冗余材料，就可以制造出更輕、更薄的零件，而不損害結(jié)構(gòu)的完整性。

大型專業(yè)軟件和模型供應(yīng)商Autodesk最近做了一個(gè)概念驗(yàn)證，展示了增材制造的威力。通過融合傳統(tǒng)的鑄造和3D打印技術(shù)，Autodesk能夠制造出一個(gè)經(jīng)濟(jì)艙座椅框架原型，其重量平均比傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品輕56%。如果空客A380配備上這種座椅，每年可以為每架飛機(jī)合計(jì)節(jié)省63噸燃油，這也將減少多達(dá)190.1噸的同期碳排放量。直白地說，相當(dāng)于平均每年約12萬輛汽車的碳排放量。而這一切僅需更換幾個(gè)飛機(jī)座椅就可以實(shí)現(xiàn)。

Autodesk 3D打印生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)艙座椅，預(yù)計(jì)可幫助節(jié)省燃油。

但是這還不是全部。

還記得本文開頭提到的GE的3D打印噴氣式燃油噴嘴嗎？他們并不僅僅是在慶祝這個(gè)零件的利潤(rùn)提高了多少。事實(shí)上，這種噴嘴制造成功標(biāo)志著航空技術(shù)的突破。

與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒完全性會(huì)極大地影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。目前，提高燃燒完全性的方法之一就是在燃燒室中更均勻地分配燃油。燃油分配正是前面提到的燃油噴嘴的工作。3D打印的LEAP噴嘴不僅重量減輕了25%，耐用性提高了5倍，而且還具備高度復(fù)雜的流道，使燃油噴射到燃燒室中的效率極高。3D打印噴嘴的效果，以及其它設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，使得LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率比它的前代產(chǎn)品提高了15%。

令人興奮的是，持續(xù)的增材制造實(shí)驗(yàn)和實(shí)施應(yīng)用將產(chǎn)生許多有益的結(jié)果。燃料成本、碳排放量、整體出行價(jià)格的上漲，都可以通過增材制造技術(shù)得到部分地遏制。而且，還有更多的好處。

有些供應(yīng)商日子會(huì)不好過了
制造所有的飛機(jī)零件都必須首先進(jìn)行概念化和原型設(shè)計(jì)，而增材制造可能會(huì)使這些過程發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。

傳統(tǒng)的金屬制造方法包括金屬成型、鑄造、機(jī)械加工和焊接，這些制造過程都需要大量的時(shí)間、專業(yè)設(shè)備和技術(shù)能力。此外，要找出一個(gè)最佳的生產(chǎn)方法，還需要時(shí)間來琢磨。有一個(gè)現(xiàn)成的例子，GE公司的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴在開發(fā)階段由于幾何形狀的復(fù)雜性，8次澆注都沒有成功。

很多時(shí)候，在試圖構(gòu)建新的設(shè)計(jì)時(shí)，制造商往往需要等待現(xiàn)有的供應(yīng)商來解決生產(chǎn)能力上的限制。在其它時(shí)候，他們將不得不尋找具有生產(chǎn)創(chuàng)新零件所需能力的全新供應(yīng)商。因此，從新零件的概念化到可工作原型的交付，制造商往往不得不等待很長(zhǎng)時(shí)間。增材制造將有可能在很大程度上顛覆這種原來的設(shè)計(jì)和原型制作過程。

從根本上說，增材制造是依靠增加材料的層數(shù)來生產(chǎn)出最終產(chǎn)品，而不是取走材料。這意味著可以完全避免耗時(shí)的工程上的挑戰(zhàn)，例如如何準(zhǔn)確地切分金屬板，然后重新組合以形成一種新的機(jī)翼襟翼設(shè)計(jì)。此外，增材制造操作也不需要很高深的技術(shù)。這使得制造測(cè)試用的原型零件既可以完全在公司內(nèi)部進(jìn)行，也可以外包給少數(shù)AM供應(yīng)商。這會(huì)產(chǎn)生兩大影響：

增材制造是如何促進(jìn)新零件設(shè)計(jì)的原型開發(fā)過程——以塑料零件為例

首先，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，某些飛機(jī)零部件制造商可能會(huì)遭受損失。增材制造技術(shù)使得通常分散在多家供應(yīng)商的傳統(tǒng)制造能力，可以整合到具備一臺(tái)3D打印機(jī)的小型團(tuán)隊(duì)中。舉個(gè)例子，2017年，GE公司做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，打印了一架舊直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。他們發(fā)現(xiàn)，只需6名工程師和一臺(tái)3D打印機(jī)，就可以進(jìn)行原型制作，完全可以取代傳統(tǒng)制造方式所需的10-15家以上的供應(yīng)商。

其次，雖然使用增材制造技術(shù)進(jìn)行量產(chǎn)往往成本更高，但如果不需要聘請(qǐng)多家供應(yīng)商，將大大減少測(cè)試新設(shè)計(jì)的交付時(shí)間。有一個(gè)具有里程碑意義的例子——波音公司僅用30個(gè)小時(shí)就打印出了一個(gè)17.5英尺長(zhǎng)、5.5英尺寬、1.5英尺高的機(jī)翼裝飾和鉆孔工具。這比“通常的”制作過程耗時(shí)少得多——本來原型制作要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間——整整3個(gè)月。大大節(jié)省設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的時(shí)間是增材制造技術(shù)帶來的一個(gè)明顯的好處，盡管對(duì)零部件供應(yīng)商來說相對(duì)不利。

任何事情都有它的局限性
人們可能會(huì)認(rèn)為，縮短設(shè)計(jì)交付時(shí)間也可以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。人們還可以斷言，3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的影響可能會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。那么綜合來看，產(chǎn)品的生命周期將會(huì)縮短。但是這是不可能的，幸與不幸其實(shí)取決于每個(gè)人對(duì)事物的看法。

商用飛機(jī)需要巨大的資本投入。因此，運(yùn)營(yíng)商總是希望在更換資產(chǎn)之前產(chǎn)生足夠的回報(bào)，以證明初始成本的合理性。此外，為了制造每一種新型號(hào)的飛機(jī)，各個(gè)國家和地區(qū)都投入了巨大的工廠空間、勞動(dòng)力和專業(yè)設(shè)備等資源。通常情況下，這些資源不容易轉(zhuǎn)換為其他替代品，早早關(guān)閉每條昂貴的生產(chǎn)線也是完全不可能。

然而，生產(chǎn)技術(shù)的不連續(xù)性，往往具有鼓勵(lì)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)一步創(chuàng)新的效果。在玻璃制造行業(yè)中，Lubbers機(jī)、Colburn機(jī)和浮法玻璃的出現(xiàn)莫不如此。因此，3D打印技術(shù)所產(chǎn)生的成果可能是由實(shí)驗(yàn)興趣和能力的提高所驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新。

飛機(jī)上的創(chuàng)新應(yīng)用
第一個(gè)乘客可以看到的3D打印飛機(jī)零件出現(xiàn)在2018年，是A320沿頭頂艙安裝的隔板。同樣，一個(gè)直接的好處是提升了燃油利用效率，因?yàn)檫@些隔板的重量比傳統(tǒng)制造的同類產(chǎn)品輕了15%。然而更有趣的是這個(gè)案例對(duì)飛機(jī)定制的影響。

制造新的塑料飛機(jī)零件經(jīng)常需要定制注塑模具裝置（開模），那是一個(gè)復(fù)雜的、花費(fèi)昂貴的、漫長(zhǎng)的過程。雖然注塑成型在大批量生產(chǎn)中具有很高的成本效益，但對(duì)于小批量生產(chǎn)來說，簡(jiǎn)直就是在浪費(fèi)錢。這是因?yàn)榇蟛糠稚�產(chǎn)的成本來自于原始模具的制作，在產(chǎn)量很少的情況下就沒有規(guī)模效應(yīng)。在這種情況下，飛機(jī)制造商實(shí)際上不可能為買家提供高水平的定制服務(wù)，除非許多或所有買家都想要該功能（產(chǎn)品）。

然而，上面提到的隔板是作為芬蘭航空公司的特別定制部件加裝的，幾乎沒有產(chǎn)生額外的成本。增材制造繞過了注塑成型中必須的模具設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試階段。這大大降低了小批量生產(chǎn)定制零件所需的時(shí)間和成本。盡管如此，我們應(yīng)該了解，在大批量生產(chǎn)的情況下，增材制造的花費(fèi)和時(shí)間成本也會(huì)超過傳統(tǒng)的成型方法。這是由于較高的單位可變成本，目前而言這是3D打印解決方案的普遍現(xiàn)象。

圖解增材制造和注塑成型在不同產(chǎn)量下的成本比較

對(duì)于制造商和航空公司來說，這種生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化將使加大定制化具有經(jīng)濟(jì)上的可行性。波音公司表示，他們相信增材制造將能夠提供更多的客艙定制服務(wù)，尤其是在客艙家具、紋理和標(biāo)識(shí)等領(lǐng)域。隨著時(shí)間的推移，密集型的定制形式也可能實(shí)現(xiàn)。航空公司可能會(huì)要求模塊化的座椅組件和獨(dú)特的頭頂隔間設(shè)計(jì)。在這一發(fā)展過程中，航空公司的乘客將是最大的受益者，他們將享有更豐富的體驗(yàn)和更高的舒適度，因?yàn)楹娇展�司們都試圖明確地標(biāo)榜自家的與眾不同。

那么最終會(huì)怎樣呢？
最終，增材制造所帶來的諸多好處將流向供應(yīng)鏈的下游。使用增材制造進(jìn)行組件實(shí)驗(yàn)的便利性會(huì)促進(jìn)產(chǎn)品和服務(wù)的創(chuàng)新，但是具體的好處目前比較難以預(yù)測(cè)，總體上應(yīng)該對(duì)乘客和航空公司都有利。更明確的是，重量減輕和燃油效率的直接提高無疑會(huì)全面降低出行運(yùn)輸價(jià)格——當(dāng)然是在其它條件不變的前提下。在航空運(yùn)輸業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中，航空公司的運(yùn)營(yíng)成本會(huì)有所降低，而這些節(jié)省的成本將通過票價(jià)使乘客受惠。

雖然增材制造不太可能將我們的飛機(jī)變成無視重力的UFO，但我們當(dāng)然可以期待在不久的將來，乘飛機(jī)出行能享有更大的舒適度、更多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和更低的價(jià)格。這些變化將逐步而穩(wěn)定地發(fā)生，不知不覺中，航空運(yùn)輸業(yè)肯定會(huì)變得大不相同。

譯者：張茉茉