2021年，二氧化碳排放峰值和碳中和首次被寫(xiě)入中國(guó)政府工作報(bào)告后，正在進(jìn)行的關(guān)于碳中和的兩會(huì)再次成為熱門(mén)話題。全球變暖導(dǎo)致氣候風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)碳中和是當(dāng)今世界最緊迫的使命。從全球碳排放總量來(lái)看，航空業(yè)其實(shí)并不是超級(jí)碳排放大戶，但絕對(duì)是碳減排的“困難戶”。隨著飛機(jī)數(shù)量的增加，探索和完善各種節(jié)能減排措施，實(shí)現(xiàn)航空工業(yè)碳中和的既定目標(biāo)，仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(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(lái)中國(guó)的制造業(yè)將分為三個(gè)部分：中材、減材和添材”。特別是在航空領(lǐng)域，增材制造具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如減輕飛機(jī)重量、成形復(fù)雜零件、實(shí)現(xiàn)零件的集成化等。已顯示出巨大的價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)C919的部件采用增材制造技術(shù)加工中央翼線；波音787夢(mèng)想飛機(jī)有30個(gè)零件采用增材制造技術(shù)制造；GE先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)GE9X三分之一以上采用增材制造，如圖1所示。

圖1 GE公司35%航空發(fā)動(dòng)機(jī)GE9X的增材制造

當(dāng)我們從發(fā)展的角度考慮航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、航空運(yùn)輸、產(chǎn)品維修的整個(gè)產(chǎn)品生命周期時(shí)，增材制造技術(shù)的特點(diǎn)決定了它在碳中和方面比傳統(tǒng)制造具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

(1)設(shè)計(jì)和制造

1.不需要開(kāi)?？焖俚?。增材制造技術(shù)最突出的優(yōu)勢(shì)是可以直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成任意形狀的零件，不需要機(jī)械加工，也不需要任何模具，這將大大減少迭代過(guò)程，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造周期，顯著降低開(kāi)發(fā)過(guò)程中的能耗。北京航空航天大學(xué)的王華明教授曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，中國(guó)使用增材制造技術(shù)打印C919飛機(jī)的駕駛艙窗框只需要55天，而歐洲一家飛機(jī)制造公司說(shuō)，他們生產(chǎn)同樣的東西至少需要2年。中國(guó)通過(guò)使用增材制造技術(shù)，大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了效率。

2.凈成型，材料利用率高。在增材制造中實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵途徑之一是減少每個(gè)零件、部件和產(chǎn)品所用的材料。增材制造屬于凈成形。與傳統(tǒng)制造相比，切、銑、磨產(chǎn)生的廢料大大減少，最終產(chǎn)品的材料利用率大大提高。另外，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，格結(jié)構(gòu)，格結(jié)構(gòu)等。也能達(dá)到節(jié)省材料的目的，如圖2所示。

圖2 (a)飛機(jī)機(jī)翼拓?fù)鋬?yōu)化(b)發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁網(wǎng)格填充

3.功能結(jié)構(gòu)整合，減少加工和組裝流程。增材技術(shù)不需要傳統(tǒng)的工裝夾具和多道加工工序，可以在一臺(tái)設(shè)備上快速準(zhǔn)確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)現(xiàn)零件功能和結(jié)構(gòu)的一體化，大幅減少加工工序和裝配工序，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的低碳目標(biāo)。

(2)空運(yùn)

1.減輕重量，降低油耗。對(duì)于航空裝備來(lái)說(shuō)，減重是其永恒的主題。減重5%可以節(jié)省20%的油耗。增材制造可以通過(guò)減輕飛機(jī)零部件的重量來(lái)降低運(yùn)輸過(guò)程中的能耗。

2.提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，降低油耗。在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，增材制造技術(shù)完成了燃燒室和許多結(jié)構(gòu)元件的制造，使得發(fā)動(dòng)機(jī)更加簡(jiǎn)潔、輕便、緊湊，這使得它僅通過(guò)設(shè)計(jì)提高燃油燃燒效率就能節(jié)省15%的燃油。

3.按需打印，減少能源浪費(fèi)。按需印刷的現(xiàn)場(chǎng)制造減少了整體能源浪費(fèi)和碳足跡。裝配、運(yùn)輸、物流和儲(chǔ)存等環(huán)境成本幾乎被消除，從而提高了能源和資源的利用率。

(3)維護(hù)

1.循環(huán)利用，綠色低碳。增材制造可以通過(guò)粉碎技術(shù)實(shí)現(xiàn)廢舊零部件的再利用，實(shí)現(xiàn)航空制造業(yè)向循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。比如美國(guó)MolyWorks的技術(shù)思路就是將金屬印刷廢料轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)粉末。同時(shí)，公司提出了“移動(dòng)代工廠”的業(yè)務(wù)發(fā)展模式，即將金屬?gòu)U料在生產(chǎn)地就地消化轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)粉末。

2.就地維修，避免零件報(bào)廢?；谠霾闹圃斓闹饘又圃焯匦?，可將受損零件視為特殊基材，在受損部位通過(guò)激光立體成形恢復(fù)零件形狀，性能滿足使用要求，從而實(shí)現(xiàn)零件制造過(guò)程的良性低碳循環(huán)，節(jié)約生產(chǎn)新材料、新零件所消耗的能源。比如渦輪葉盤(pán)零件，當(dāng)盤(pán)上某個(gè)葉片損壞時(shí)，只需要采用增材制造技術(shù)對(duì)損壞的葉片進(jìn)行修復(fù)，就可以恢復(fù)葉盤(pán)的功能，避免整個(gè)渦輪葉盤(pán)報(bào)廢。

3.提高零件性能，延長(zhǎng)使用壽命。通過(guò)優(yōu)化零件的結(jié)構(gòu)，使零件的應(yīng)力能夠呈現(xiàn)最合理的分布，降低疲勞裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，從而延長(zhǎng)使用壽命，減少碳足跡。比如美國(guó)F16戰(zhàn)斗機(jī)上用3D技術(shù)制造的起落架，不僅符合使用標(biāo)準(zhǔn)，而且平均壽命是原來(lái)的2.5倍。

未來(lái)方向建議

為進(jìn)一步提升增材制造實(shí)現(xiàn)航空工業(yè)碳中和的能力，提出以下發(fā)展方向。

1.材料微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò)材料基因組建立專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)選材智能優(yōu)化。通過(guò)建立成分、工藝、顯微組織和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以根據(jù)材料的性能設(shè)計(jì)出滿足碳中性要求的顯微組織。

2.結(jié)構(gòu)和多學(xué)科拓?fù)鋬?yōu)化。引入多物理驅(qū)動(dòng)的體積設(shè)計(jì)，將多尺度特征和各種類型的材料進(jìn)行數(shù)字化集成，以保持必要的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的一體化，從而降低材料消耗，減輕零件重量。

3.人工智能和數(shù)據(jù)孿生技術(shù)的結(jié)合。集成設(shè)備或技術(shù)，如過(guò)程監(jiān)控、信息感知、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)等。將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融入增材制造的數(shù)字化雙胞胎，通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和模型的共享和分析，完善增材數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)。增材制造可以在飛機(jī)零部件制造的各個(gè)環(huán)節(jié)起到降碳的關(guān)鍵作用。