2021年，二氧化碳排放峰值和碳中和首次被寫(xiě)入中國政府工作報告后，正在進(jìn)行的關(guān)于碳中和的兩會(huì )再次成為熱門(mén)話(huà)題。全球變暖導致氣候風(fēng)險越來(lái)越高，實(shí)現碳中和是當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)并不是超級碳排放大戶(hù)，但絕對是碳減排的“困難戶(hù)”。隨著(zhù)飛機數量的增加，探索和完善各種節能減排措施，實(shí)現航空工業(yè)碳中和的既定目標，仍然是一項具有挑戰性的任務(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，增材制造具有獨特的優(yōu)勢，如減輕飛機重量、成形復雜零件、實(shí)現零件的集成化等。已顯示出巨大的價(jià)值和廣闊的應用前景。國產(chǎn)大型客機C919的部件采用增材制造技術(shù)加工中央翼線(xiàn)；波音787夢(mèng)想飛機有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GE9X的增材制造

當我們從發(fā)展的角度考慮航空產(chǎn)品設計制造、航空運輸、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制造具有相當大的優(yōu)勢。

(1)設計和制造

1.不需要開(kāi)?？焖俚?。增材制造技術(shù)最突出的優(yōu)勢是可以直接從計算機圖形數據生成任意形狀的零件，不需要機械加工，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(zhù)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)，中國使用增材制造技術(shù)打印C919飛機的駕駛艙窗框只需要55天，而歐洲一家飛機制造公司說(shuō)，他們生產(chǎn)同樣的東西至少需要2年。中國通過(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)拓撲優(yōu)化，格結構，格結構等。也能達到節省材料的目的，如圖2所示。

圖2 (a)飛機機翼拓撲優(yōu)化(b)發(fā)動(dòng)機薄壁網(wǎng)格填充

3.功能結構整合，減少加工和組裝流程。增材技術(shù)不需要傳統的工裝夾具和多道加工工序，可以在一臺設備上快速準確地制造出任意復雜形狀的零件，從而實(shí)現零件功能和結構的一體化，大幅減少加工工序和裝配工序，實(shí)現制造過(guò)程的低碳目標。

(2)空運

1.減輕重量，降低油耗。對于航空裝備來(lái)說(shuō)，減重是其永恒的主題。減重5%可以節省20%的油耗。增材制造可以通過(guò)減輕飛機零部件的重量來(lái)降低運輸過(guò)程中的能耗。

2.提高發(fā)動(dòng)機燃燒效率，降低油耗。在發(fā)動(dòng)機內部，增材制造技術(shù)完成了燃燒室和許多結構元件的制造，使得發(fā)動(dòng)機更加簡(jiǎn)潔、輕便、緊湊，這使得它僅通過(guò)設計提高燃油燃燒效率就能節省15%的燃油。

3.按需打印，減少能源浪費。按需印刷的現場(chǎng)制造減少了整體能源浪費和碳足跡。裝配、運輸、物流和儲存等環(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

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)現廢舊零部件的再利用，實(shí)現航空制造業(yè)向循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。比如美國MolyWorks的技術(shù)思路就是將金屬印刷廢料轉化為優(yōu)質(zhì)粉末。同時(shí)，公司提出了“移動(dòng)代工廠(chǎng)”的業(yè)務(wù)發(fā)展模式，即將金屬廢料在生產(chǎn)地就地消化轉化為優(yōu)質(zhì)粉末。

2.就地維修，避免零件報廢?；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)激光立體成形恢復零件形狀，性能滿(mǎn)足使用要求，從而實(shí)現零件制造過(guò)程的良性低碳循環(huán)，節約生產(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)對損壞的葉片進(jìn)行修復，就可以恢復葉盤(pán)的功能，避免整個(gè)渦輪葉盤(pán)報廢。

3.提高零件性能，延長(cháng)使用壽命。通過(guò)優(yōu)化零件的結構，使零件的應力能夠呈現最合理的分布，降低疲勞裂紋的風(fēng)險，從而延長(cháng)使用壽命，減少碳足跡。比如美國F16戰斗機上用3D技術(shù)制造的起落架，不僅符合使用標準，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(guān)結構優(yōu)化。通過(guò)材料基因組建立專(zhuān)業(yè)數據庫，實(shí)現選材智能優(yōu)化。通過(guò)建立成分、工藝、顯微組織和性能之間的內在聯(lián)系，可以根據材料的性能設計出滿(mǎn)足碳中性要求的顯微組織。

2.結構和多學(xué)科拓撲優(yōu)化。引入多物理驅動(dòng)的體積設計，將多尺度特征和各種類(lèi)型的材料進(jìn)行數字化集成，以保持必要的力學(xué)性能，實(shí)現結構和功能的一體化，從而降低材料消耗，減輕零件重量。

3.人工智能和數據孿生技術(shù)的結合。集成設備或技術(shù)，如過(guò)程監控、信息感知、機器學(xué)習、人工智能、數據庫等。將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融入增材制造的數字化雙胞胎，通過(guò)云平臺實(shí)現數據和模型的共享和分析，完善增材數字化生態(tài)系統。增材制造可以在飛機零部件制造的各個(gè)環(huán)節起到降碳的關(guān)鍵作用。