После того, как углеродный пик и углеродная нейтральность были впервые включены в отчет о работе китайского правительства в 2021 году, углеродная нейтральность на двух текущих сессиях снова стала горячей темой для обсуждения. Глобальное потепление привело к увеличению климатических рисков, и достижение углеродной нейтральности является самой неотложной задачей в современном мире. Судя по общему объему выбросов углерода в глобальном масштабе, авиационная промышленность на самом деле не является сверхкрупным хозяйством по выбросам углерода, но определенно является «трудным хозяйством» по сокращению выбросов углерода. С увеличением количества самолетов по-прежнему сложной задачей является постоянное изучение и совершенствование различных средств энергосбережения и сокращения выбросов для достижения поставленной цели углеродной нейтральности в аэрокосмической отрасли.
Аддитивное производство обеспечивает углеродную нейтральность жизненного цикла в авиационной отрасли
Академик Лу Бинхэн отметил: «В будущем обрабатывающая промышленность Китая будет разделена на три части: материал, сокращение материала и добавление материала». Особенно в области авиации аддитивное производство имеет уникальные преимущества, такие как снижение веса самолета, формирование сложных деталей и реализация интеграции компонентов, что показало большую ценность и широкие перспективы применения. Детали отечественного большого пассажирского самолета С919 используют технологию аддитивного производства для обработки центральной линии крыла; у Boeing 787 Dreamliner 30 деталей, изготовленных по технологии аддитивного производства; Усовершенствованный авиадвигатель GE GE9X состоит более чем из одной трети компонентов. Он производится с помощью аддитивного производства.
Когда мы рассматриваем весь жизненный цикл продукта, включая проектирование и производство аэрокосмической продукции, авиаперевозки, техническое обслуживание и техническое обслуживание продукции, с точки зрения разработки, характеристики технологии аддитивного производства определяют, что она имеет значительные преимущества по сравнению с традиционным производством с точки зрения углеродной нейтральности.
Дизайн и производство
1. Нет необходимости открывать пресс-форму, быстрая итерация. Наиболее заметным преимуществом технологии аддитивного производства является то, что детали любой формы могут быть созданы непосредственно из данных компьютерной графики без механической обработки или какой-либо формы, что значительно сократит итерационный процесс, сократит цикл разработки продукта и производства и увеличит энергию в процессе производства. процесс разработки. расход значительно снижается. Профессор Ван Хуамин из Бэйханского университета однажды сказал, что Китай теперь может использовать технологию аддитивного производства для печати оконной рамы кабины самолета C919 всего за 55 дней, в то время как европейская авиастроительная компания заявила, что они будут производить то же самое в течение как минимум 2 дней. годы. Технология изготовления материалов значительно сокращает производственный цикл и повышает эффективность.
2. Чистая форма, высокий коэффициент использования материала. Ключевой способ сделать аддитивное производство углеродно-нейтральным — использовать меньше материала для каждой детали, компонента и продукта. Аддитивное производство представляет собой чистую форму, которая значительно снижает количество отходов, образующихся в процессе резки, фрезерования и шлифования традиционного производства, а также значительно улучшает коэффициент использования материала конечного продукта. Кроме того, за счет оптимизации топологии формирование решетчатых структур, решетчатых структур и т. Д. Также можно достичь цели экономии материалов.
3. Интеграция функциональной структуры, сокращение процедур обработки и сборки. Аддитивные технологии не требуют традиционных инструментов и приспособлений и множества процедур обработки и могут быстро и точно изготавливать детали любой сложной формы на одном устройстве, тем самым реализуя интеграцию функций и структур деталей и значительно сокращая процедуры обработки и сборки. процесс для достижения низкой углеродной цели производственного процесса.
Aфрахт
1. Уменьшить вес и снизить расход топлива. Для авиационной техники снижение веса является его вечной темой, а снижение веса на 5 процентов может сэкономить 20 процентов расхода топлива. Аддитивное производство может снизить потребление энергии при транспортировке за счет уменьшения веса компонентов самолета.
2. Улучшить эффективность сгорания двигателя и снизить расход топлива. Внутри двигателя технология аддитивного производства завершает изготовление камеры сгорания и многих конструктивных элементов, что делает двигатель проще, легче и компактнее, что позволяет ему экономить до 15 процентов топлива за счет повышения эффективности использования топлива только за счет конструкции.
3. Печатайте по требованию, сокращая потери энергии. Производство на месте и печать по требованию сокращает общие потери энергии и снижает выбросы углекислого газа. Экологические затраты, такие как сборка, транспортировка, логистика, хранение и т. д., практически исключены, что приводит к более эффективному использованию энергии и ресурсов.
Ремонт и обслуживание
1. Переработка, экологичность и низкий уровень выбросов углерода. Аддитивное производство может реализовать повторное использование выброшенных деталей с помощью технологии фрезерования и реализовать развитие авиационной промышленности в направлении экономики замкнутого цикла. Например, техническая идея компании MolyWorks в США заключается в том, чтобы превращать металлические отходы печати в высококачественный порошок. В то же время компания предложила модель развития бизнеса «Мобильный литейный завод», то есть металлические отходы перерабатываются и превращаются в высококачественный порошок на месте.
3. Частичный ремонт во избежание брака деталей. На основе послойных производственных характеристик аддитивного производства только поврежденная часть рассматривается как специальная подложка, и форма детали может быть восстановлена путем лазерного трехмерного формования на поврежденной детали, а производительность может соответствовать требования использования. Реализован благотворный низкоуглеродный цикл процесса изготовления деталей, экономящий энергию, потребляемую при производстве новых материалов и деталей. Например, для деталей диска турбины, когда лопасть на диске повреждена, необходимо использовать только технологию аддитивного производства для ремонта поврежденной лопасти, чтобы восстановить функцию диска и избежать брака всего диска турбины.
3. Улучшить работу деталей и увеличить срок службы. Оптимизируя структуру деталей, напряжение деталей можно распределить наиболее разумным образом, снизив риск усталостных трещин, тем самым увеличив срок службы и уменьшив углеродный след. Например, изготовленное по 3D-технологии шасси американского истребителя F16 не только соответствует стандарту эксплуатации, но и имеет средний срок службы в 2,5 раза больше, чем у оригинала.
Предложения для будущих направлений
В целях дальнейшего повышения способности аддитивного производства достигать углеродной нейтральности в авиационной промышленности предлагаются следующие направления развития.
1. Оптимизация микроструктуры материала. Профессиональная база данных создана на основе генома материала для интеллектуальной оптимизации выбора материала. Устанавливая внутреннюю взаимосвязь между составом, процессом, микроструктурой и характеристиками, микроструктура, отвечающая требованиям углеродной нейтральности, разрабатывается в соответствии со свойствами материала.
2. Структурная и мультидисциплинарная оптимизация топологии. Внедрите объемный дизайн, управляемый несколькими физическими принципами, цифровую интеграцию многомасштабных элементов и материалов разных типов, поддерживайте необходимые механические свойства и достигайте структурно-функционального слияния для снижения расхода материалов и уменьшения веса компонентов.
3. Сочетание искусственного интеллекта и технологии двойников данных. Интегрируйте передовое оборудование или технологии, такие как мониторинг процессов, восприятие информации, машинное обучение, искусственный интеллект, базы данных и т. д. Интегрируйте промышленный Интернет в цифрового двойника аддитивного производства, чтобы можно было обмениваться данными и моделями и анализировать их через облачные платформы, а аддитивная цифровая экосистема может быть улучшена. Аддитивное производство может сыграть ключевую роль в сокращении выбросов углерода на каждом звене производства авиационных деталей.