增材制造技术赋能航空碳中和？

来源：航空工业综合所

继2021年，碳达峰、碳中和首次被写入中国政府工作报告后，正在进行的两会中碳中和再次成为热议话题。全球升温已经导致气候风险越来越高，实现碳中和是当今世界最为紧迫的使命。从全球范围的碳排放总量来看，航空业其实并非碳排放的超级大户，但绝对是碳减排的“困难户”。随着飞机数量的增加，不断探索和完善各种节能减排手段以达到航空业碳中和的既定目标依然是一个极具挑战的任务。

增材制造赋能航空业全生命周期碳中和
卢秉恒院士指出：“未来中国制造业中等材、减材、增材三分天下”。尤其是在航空领域，增材制造拥有可以减轻飞机重量、成形复杂零部件以及实现零部件集成等独特优势，已经展示了重大价值和广阔的应用前景。国产大型客机 C919 的部件采用了增材制造技术加工中央翼线条；波音787梦幻飞机上有30个由增材制造技术制造的零件；GE公司先进的航空发动机GE9X，有三分之一以上的部件是由增材制造来完成的，如图1所示。

图1 GE推出的增材制造占35%的航空飞机发动机GE9X

当我们以发展的眼光考虑航空产品设计制造、航空运输、产品维修维护整个产品生命周期时，增材制造技术的特点决定了在碳中和方面相比传统制造具有相当大的优势。

（一）设计制造
1. 无需开模，快速迭代。增材制造技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，这将极大的减少迭代过程，缩短产品研发制造周期，研制过程中的能耗显著降低。北航王华明教授曾表示，中国现在采用增材制造技术仅需55天就可以打印出C919飞机驾驶舱玻璃窗框架，而欧洲一家飞机制造公司表示，他们生产同样的东西至少要2年，中国采用增材制造技术大大缩短了生产周期，提高了效率。

2. 净成形，材料利用率高。增材制造实现碳中和的一种关键方式是对每个零件、部件、产品所用的材料减少。增材制造属于净成形，对比传统制造的切削铣刨磨环节产生的废料大大减少，最终产品的材料使用率有巨大的提升。此外，通过拓扑优化，形成点阵结构、晶格结构等，也可达到节约材料的目的，如图2所示。

图2 （a）飞机机翼拓扑优化（b）发动机的薄壁晶格填充

3. 功能结构集成，减少加工及装配工序。增材技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件功能和结构的集成，并大大减少加工工序以及装配工序，实现了制造过程的低碳目标。

（二）航空运输
1. 重量减轻，减少燃料消耗。对于航空装备而言，减重是其永恒不变的主题，减轻5%的重量可以节约20%的燃油消耗。增材制造可以通过降低飞机零部件重量的方式来减少运输过程中的能耗。

2. 提高发动机燃烧效率，减少燃料消耗。在发动机的内部，增材制造技术完成燃烧室和许多结构元件的制造，这使得发动机更简洁、更轻和更紧凑，这使其仅仅通过设计提高燃料燃烧效率带来的节约燃料达15%。

3. 按需打印，减少能源浪费。现场和按需打印制造减少了整体能源浪费并减少了碳足迹。组装、运输、物流、存储等环境成本几乎被消除，从而改善能源和资源的使用。

（三）维修维护
1. 循环利用，绿色低碳。增材制造可以通过制粉技术实现对废弃零部件的再利用，实现航空制造业朝着循环经济的方向发展。例如美国MolyWorks的技术思路是将金属打印的废料转化为优质粉末，同时该公司提出了“Mobile Foundry”的业务发展模式，即在金属废料的产生地现场消化并转化为优质粉末。

2. 局部修复，避免部件报废。基于增材制造逐层制造的特点，只需将受损的部件看作是一种特殊的基材，在受损部位进行激光立体成形，就可以恢复零件形状，且性能满足使用要求，这就实现了零件制造过程的良性低碳循环，节省了生产新的材料和零部件消耗的能源。例如涡轮叶盘零件为例，当盘上的某一叶片受损，只需要利用增材制造技术修复受损叶片，即可恢复叶盘功能，避免整个涡轮叶盘报废。

3. 提高零件性能，增加使用寿命。通过优化零件结构，能使零件的应力呈现出最合理化的分布，减少疲劳裂纹产生的危险，从而增加使用寿命，降低碳足迹。例如美国F16战机上使用3D技术制造的起落架，不仅满足使用标准，而且平均寿命是原来的2.5倍。

未来方向建议
为进一步提升增材制造实现航空业碳中和的能力，提出以下几个发展方向。

1. 材料微观结构优化。通过材料基因组建立专业数据库，实现智能优化选材。通过建立成分、工艺、微观结构与性能之间的内在联系，根据材料的性能设计出满足碳中和要求的微观结构。

2. 结构和多学科拓扑优化。引入多物理驱动的体积设计，将多尺度特征和多类型材料进行数字化整合，保持必要机械性能以及实现结构功能融合基础上减少材料消耗，减轻零部件重量。

3. 人工智能、数据孪生技术结合。集成先进设备或技术，如过程监控、信息感知、机器学习、人工智能、数据库等。将工业互联网融合成增材制造数字孪生，从而通过云平台共享和分析数据和模型，完善增材数字生态系统，飞机零部件制造每个环节中增材制造都能起到减碳的关键作用。