Nadat CO2-piek en CO2-neutraliteit voor het eerst werden geschreven in het werkrapport van de Chinese regering in 2021, is CO2-neutraliteit in de lopende twee sessies opnieuw een hot topic geworden. De opwarming van de aarde heeft geleid tot toenemende klimaatrisico's en het bereiken van CO2-neutraliteit is de meest urgente missie in de wereld van vandaag. Afgaande op de totale hoeveelheid koolstofemissies op wereldschaal, is de luchtvaartindustrie eigenlijk geen supergroot huishouden van koolstofemissies, maar het is zeker een "moeilijk huishouden" in het verminderen van de koolstofemissie. Met de toename van het aantal vliegtuigen is het nog steeds een uitdagende taak om verschillende energiebesparende en emissiereducerende middelen continu te verkennen en te verbeteren om het gestelde doel van CO2-neutraliteit in de lucht- en ruimtevaartindustrie te bereiken.
Additive Manufacturing maakt koolstofneutraliteit gedurende de levenscyclus in de luchtvaartindustrie mogelijk
Academicus Lu Bingheng wees erop: "In de toekomst zal de Chinese maakindustrie in drie delen worden verdeeld: materiaal, materiaalreductie en materiaaltoevoeging." Vooral in de luchtvaart heeft additive manufacturing unieke voordelen, zoals het verminderen van het gewicht van vliegtuigen, het vormen van complexe onderdelen en het realiseren van componentintegratie, wat van grote waarde is gebleken en brede toepassingsmogelijkheden heeft. De onderdelen van het binnenlandse grote passagiersvliegtuig C919 gebruiken additieve fabricagetechnologie om de centrale vleugellijn te verwerken; de Boeing 787 Dreamliner heeft 30 onderdelen die zijn gemaakt met behulp van additieve fabricagetechnologie; GE's geavanceerde vliegtuigmotor GE9X heeft meer dan een derde van de componenten Het wordt gedaan door additieve fabricage.
Wanneer we de volledige productlevenscyclus van productontwerp en fabricage in de lucht- en ruimtevaart, luchtvervoer, productonderhoud en onderhoud vanuit een ontwikkelingsperspectief beschouwen, bepalen de kenmerken van additive manufacturing-technologie dat het aanzienlijke voordelen heeft ten opzichte van traditionele productie in termen van koolstofneutraliteit.
Ontwerp en fabricage:
1. Het is niet nodig om schimmel te openen, snelle iteratie. Het meest prominente voordeel van additieve fabricagetechnologie is dat delen van elke vorm direct kunnen worden gegenereerd uit computergrafische gegevens zonder bewerking of schimmel, wat het iteratieve proces aanzienlijk zal verminderen, de productontwikkelings- en productiecyclus zal verkorten en de energie in de ontwikkelingsproces. verbruik aanzienlijk verminderd. Professor Wang Huaming van de Beihang University zei ooit dat China nu additieve fabricagetechnologie kan gebruiken om het raamkozijn van de cockpit van het C919-vliegtuig in slechts 55 dagen te printen, terwijl een Europees vliegtuigfabrikant zei dat ze hetzelfde zullen produceren voor minstens 2 jaar. Materiaalproductietechnologie verkort de productiecyclus aanzienlijk en verbetert de efficiëntie.
2. Netto vorm, hoge materiële bezettingsgraad. Een belangrijke manier waarop additieve productie CO2-neutraal kan zijn, is door minder materiaal te gebruiken voor elk onderdeel, component en product. Additieve productie is een netvorm, die het afval dat wordt gegenereerd tijdens het snij-, frees- en maalproces van traditionele productie aanzienlijk vermindert, en de materiaalbenuttingsgraad van het eindproduct wordt aanzienlijk verbeterd. Bovendien kan door topologie-optimalisatie de vorming van roosterstructuren, roosterstructuren, enz. Ook het doel van materiaalbesparing bereiken.
3. Functionele structuurintegratie, vermindering van verwerkings- en montageprocedures. Additieve technologie vereist geen traditionele gereedschappen en armaturen en meerdere verwerkingsprocedures, en kan snel en nauwkeurig onderdelen van elke complexe vorm op één apparaat produceren, waardoor de integratie van onderdeelfuncties en structuren wordt gerealiseerd en de verwerkingsprocedures en montage aanzienlijk worden verminderd. het proces om het koolstofarme doel van het productieproces te bereiken.
Air vracht
1. Verminder het gewicht en verminder het brandstofverbruik. Voor luchtvaartapparatuur is gewichtsvermindering het eeuwige thema, en een gewichtsvermindering van 5 procent kan 20 procent van het brandstofverbruik besparen. Additive manufacturing kan het energieverbruik tijdens het transport verminderen door het gewicht van vliegtuigonderdelen te verminderen.
2. Improve engine combustion efficiency and reduce fuel consumption. Inside the engine, additive manufacturing technology completes the manufacture of the combustion chamber and many structural elements, which makes the engine simpler, lighter, and more compact, which allows it to save up to 15 percent of fuel by improving fuel efficiency by design alone.
3. Print on demand, minder energieverspilling. On-site en print-on-demand productie vermindert de totale energieverspilling en vermindert de ecologische voetafdruk. Milieukosten zoals montage, transport, logistiek, opslag, enz. worden vrijwel geëlimineerd, wat resulteert in een beter gebruik van energie en hulpbronnen.
Reparatie en onderhoud
1. Recycling, groen en koolstofarm. Additive manufacturing kan door middel van freestechnologie hergebruik van afgedankte onderdelen realiseren en de ontwikkeling van de luchtvaartindustrie richting circulaire economie realiseren. Het technische idee van MolyWorks in de Verenigde Staten is bijvoorbeeld om metaalprintafval om te zetten in hoogwaardig poeder. Tegelijkertijd heeft het bedrijf het bedrijfsontwikkelingsmodel "Mobile Foundry" voorgesteld, dat wil zeggen dat het metaalafval ter plaatse wordt verteerd en omgezet in hoogwaardig poeder.
3. Gedeeltelijke reparatie om sloop van onderdelen te voorkomen. Op basis van de laag-voor-laag productiekenmerken van additieve productie, wordt alleen het beschadigde onderdeel beschouwd als een speciaal substraat en kan de vorm van het onderdeel worden hersteld door driedimensionale laservorming op het beschadigde onderdeel, en de prestaties kunnen voldoen aan de gebruikseisen. Er wordt een deugdelijke koolstofarme cyclus van het fabricageproces van onderdelen gerealiseerd, waardoor de energie wordt bespaard die wordt verbruikt bij de productie van nieuwe materialen en onderdelen. Voor turbineschijfonderdelen is het bijvoorbeeld, wanneer een blad op de schijf beschadigd is, alleen nodig om additieve fabricagetechnologie te gebruiken om het beschadigde blad te repareren om de functie van de schijf te herstellen en het slopen van de gehele turbineschijf te voorkomen.
3. Verbeter de prestaties van onderdelen en verleng de levensduur. Door de structuur van de onderdelen te optimaliseren, kan de spanning van de onderdelen op de meest redelijke manier worden verdeeld, waardoor het risico op vermoeiingsscheuren wordt verminderd, waardoor de levensduur wordt verlengd en de ecologische voetafdruk wordt verkleind. Zo voldoet het met 3D-technologie gemaakte landingsgestel op de Amerikaanse F16-jager niet alleen aan de gebruiksnorm, maar heeft het ook een gemiddelde levensduur van 2,5 keer die van het origineel.
Suggesties voor toekomstige richtingen
Om het vermogen van additive manufacturing om koolstofneutraliteit in de luchtvaartindustrie te bereiken verder te verbeteren, worden de volgende ontwikkelingsrichtingen voorgesteld.
1. Optimalisatie van de materiaalmicrostructuur. Via het materiaalgenoom wordt een professionele database opgezet om intelligente optimalisatie van materiaalselectie te realiseren. Door de intrinsieke relatie tussen samenstelling, proces, microstructuur en prestatie vast te stellen, wordt de microstructuur die voldoet aan de eisen van koolstofneutraliteit ontworpen volgens de eigenschappen van het materiaal.
2. Structurele en multidisciplinaire topologie-optimalisatie. Introduceer multi-fysica-gedreven volume-ontwerp, integreer digitaal multi-schaal functies en multi-type materialen, behoud de noodzakelijke mechanische eigenschappen en bereik structurele functiefusie om het materiaalverbruik te verminderen en het gewicht van componenten te verminderen.
3. De combinatie van kunstmatige intelligentie en data twin-technologie. Integreer geavanceerde apparatuur of technologieën zoals procesbewaking, informatieperceptie, machine learning, kunstmatige intelligentie, databases, enz. Integreer het industriële internet in een digitale tweeling met additieve fabricage, zodat gegevens en modellen kunnen worden gedeeld en geanalyseerd via cloudplatforms, en de additief digitaal ecosysteem kan worden verbeterd. Additieve fabricage kan een sleutelrol spelen bij het verminderen van koolstof in elke schakel van de fabricage van vliegtuigonderdelen.