Efter att koldioxidtopp och koldioxidneutralitet först skrevs in i den kinesiska regeringens arbetsrapport 2021, har koldioxidneutralitet under de pågående två sessionerna återigen blivit ett hett diskussionsämne. Den globala uppvärmningen har lett till ökande klimatrisker och att uppnå koldioxidneutralitet är det mest angelägna uppdraget i dagens värld. Att döma av den totala mängden koldioxidutsläpp på global skala är flygindustrin faktiskt inte ett superstort hushåll av koldioxidutsläpp, men det är definitivt ett "svårt hushåll" för att minska koldioxidutsläppen. Med det ökade antalet flygplan är det fortfarande en utmanande uppgift att kontinuerligt utforska och förbättra olika energibesparande och utsläppsminskningsmetoder för att uppnå det uppsatta målet om koldioxidneutralitet inom flygindustrin.
Additiv tillverkning möjliggör koldioxidneutralitet under livscykeln inom flygindustrin
Akademikern Lu Bingheng påpekade: "I framtiden kommer Kinas tillverkningsindustri att delas upp i tre delar: material, materialreduktion och materialtillsats." Speciellt inom flygområdet har additiv tillverkning unika fördelar som att minska flygplanens vikt, forma komplexa delar och förverkliga komponentintegration, vilket har visat stort värde och breda tillämpningsmöjligheter. Delarna av det inhemska stora passagerarplanet C919 använder additiv tillverkningsteknik för att bearbeta den centrala vinglinjen; Boeing 787 Dreamliner har 30 delar tillverkade av additiv tillverkningsteknik; GE:s avancerade flygmotor GE9X har mer än en tredjedel av komponenterna. Det görs genom additiv tillverkning.
När vi betraktar hela produktlivscykeln för flyg- och rymdproduktdesign och -tillverkning, flygtransport, produktunderhåll och underhåll ur ett utvecklingsperspektiv, bestämmer egenskaperna hos additiv tillverkningsteknologi att den har avsevärda fördelar jämfört med traditionell tillverkning när det gäller koldioxidneutralitet.
Design och tillverkning
1. Inget behov av att öppna formen, snabb iteration. Den mest framträdande fördelen med additiv tillverkningsteknologi är att delar av vilken form som helst kan genereras direkt från datorgrafikdata utan bearbetning eller någon form, vilket avsevärt kommer att minska den iterativa processen, förkorta produktutvecklings- och tillverkningscykeln och öka energin i utvecklingsprocess. förbrukningen minskar avsevärt. Professor Wang Huaming vid Beihang University sa en gång att Kina nu kan använda additiv tillverkningsteknik för att skriva ut cockpitglasfönsterramen på C919-flygplanet på bara 55 dagar, medan ett europeiskt flygplanstillverkande företag sa att de kommer att producera samma sak i minst 2 år. Materialtillverkningsteknik förkortar produktionscykeln avsevärt och förbättrar effektiviteten.
2. Nettoform, hög materialutnyttjandegrad. Ett viktigt sätt att additiv tillverkning kan vara kolneutral är att använda mindre material för varje del, komponent och produkt. Additiv tillverkning är en nettoform som kraftigt minskar det avfall som genereras i skärnings-, fräsnings- och slipprocessen vid traditionell tillverkning, och materialutnyttjandet av den slutliga produkten förbättras avsevärt. Dessutom, genom topologioptimering, kan bildandet av gitterstrukturer, gitterstrukturer etc. också uppnå syftet att spara material.
3. Funktionell strukturintegration, vilket minskar bearbetnings- och monteringsprocedurer. Additiv teknologi kräver inte traditionella verktyg och fixturer och flera bearbetningsprocedurer, och kan snabbt och exakt tillverka delar av vilken komplex form som helst på en enhet, och därigenom förverkliga integreringen av delfunktioner och strukturer och avsevärt reducera bearbetningsprocedurer och montering. processen för att uppnå lågkoldioxidmålet för tillverkningsprocessen.
Air frakt
1. Minska vikten och minska bränsleförbrukningen. För flygutrustning är viktminskning dess eviga tema, och en viktminskning på 5 procent kan spara 20 procent av bränsleförbrukningen. Additiv tillverkning kan minska energiförbrukningen under transport genom att minska vikten på flygplanskomponenter.
2. Förbättra motorns förbränningseffektivitet och minska bränsleförbrukningen. Inuti motorn fullbordar additiv tillverkningsteknik tillverkningen av förbränningskammaren och många strukturella element, vilket gör motorn enklare, lättare och mer kompakt, vilket gör att den kan spara upp till 15 procent av bränslet genom att förbättra bränsleeffektiviteten enbart genom design.
3. Skriv ut på begäran, vilket minskar energislöseriet. Tillverkning på plats och print-on-demand minskar det totala energisvinnet och minskar koldioxidavtrycket. Miljökostnader som montering, transport, logistik, lagring etc. elimineras praktiskt taget, vilket resulterar i förbättrad energi- och resursanvändning.
Reparation och underhåll
1. Återvinning, grönt och koldioxidsnålt. Additiv tillverkning kan realisera återanvändning av kasserade delar genom frästeknik, och realisera utvecklingen av flygtillverkningsindustrin i riktning mot en cirkulär ekonomi. Till exempel är den tekniska idén med MolyWorks i USA att omvandla metalltrycksavfall till högkvalitativt pulver. Samtidigt har företaget föreslagit affärsutvecklingsmodellen "Mobile Foundry", det vill säga att metallavfallet rötas och omvandlas till högkvalitativt pulver på plats.
3. Delvis reparation för att undvika att delar skrotas. Baserat på lager-för-lager-tillverkningsegenskaperna för additiv tillverkning, betraktas endast den skadade delen som ett speciellt substrat, och delens form kan återställas genom tredimensionell laserformning på den skadade delen, och prestandan kan uppfyllas kraven för användning. En god koldioxidsnål cykel av tillverkningsprocessen för delar realiseras, vilket sparar energi som förbrukas vid produktion av nya material och delar. Till exempel, för delar av turbinskivor, när ett blad på skivan är skadat, är det bara nödvändigt att använda additiv tillverkningsteknik för att reparera det skadade bladet för att återställa skivans funktion och undvika att hela turbinskivan skrotas.
3. Förbättra prestandan hos delar och öka livslängden. Genom att optimera delarnas struktur kan delarnas spänning fördelas på det mest rimliga sättet, vilket minskar risken för utmattningssprickor, vilket ökar livslängden och minskar koldioxidavtrycket. Till exempel, landningsstället tillverkat av 3D-teknik på det amerikanska F16-jaktflygplanet uppfyller inte bara standarden för användning utan har också en genomsnittlig livslängd på 2,5 gånger den för originalet.
Förslag på framtida vägbeskrivningar
För att ytterligare förbättra additiv tillverknings förmåga att uppnå koldioxidneutralitet inom flygindustrin föreslås följande utvecklingsriktningar.
1. Materialmikrostrukturoptimering. En professionell databas upprättas genom materialgenomet för att realisera intelligent optimering av materialval. Genom att fastställa det inneboende förhållandet mellan sammansättning, process, mikrostruktur och prestanda utformas mikrostrukturen som uppfyller kraven på kolneutralitet enligt materialets egenskaper.
2. Strukturell och multidisciplinär topologioptimering. Introducera multi-fysik-driven volymdesign, digitalt integrera multi-scale funktioner och multi-typ material, bibehålla nödvändiga mekaniska egenskaper, och uppnå strukturell funktion fusion för att minska materialförbrukningen och minska vikten av komponenter.
3. Kombinationen av artificiell intelligens och data tvillingteknologi. Integrera avancerad utrustning eller teknologier som processövervakning, informationsuppfattning, maskininlärning, artificiell intelligens, databaser etc. Integrera det industriella Internet i en digital tvilling för additiv tillverkning, så att data och modeller kan delas och analyseras genom molnplattformar, och additivt digitalt ekosystem kan förbättras. Additiv tillverkning kan spela en nyckelroll för att minska koldioxidutsläppen i varje led i tillverkningen av flygplansdelar.