航空航天业的环保未来
2024-02-26

据世界经济论坛 (WEF)发布:“到2050年实现CO2的净零排放不仅可助力实现可持续的环保未来,同时也能从整体上保证航空业的财务弹性和竞争力。”虽然电动汽车在汽车业的地位越发稳定,但如果要在航空业实现这些发展,需要更长的时间。

 

总体而言,预估的情况是电动飞机在2035年前都不会达到普及程度。据报道,尽管易捷航空公司 (easyJet) 有望到2030年实现不超过311英里 (500公里) 的电动飞机运行且挪威立志到2040年实现所有短途航班的电动化,但是“短期内,我们不会以充电式巨型飞机进行长途飞行:因为电池太重了。”

 

所以,虽然电池不需要为了得到重用而减轻重量,但是原始设备制造商 (OEM) 却有责任制造出更轻的零件来解决这一问题。可以确信的是,他们将使用强度、抗疲劳性和其他属性都更强的铝来使这些系统更轻盈。

 

新型高温合金 (HRSAs) 将扩大应用。实际上,HRSA已经应用于面临极端严苛性能需求的飞机零件,因为它们即使面对强大热量依然能保持硬度不变。事实将证明,这类材质的燃烧、热量更强。

 

零件的生产误差也必须更小,设计要更多样化。同电动汽车一样,未来不同制造商对于电动飞机的设计(包括机身和发动机)也将与如今采用内燃发动机的飞机有很大不同。对于机身,有些OEM正在探索三角造型、翼身组合体以及支柱支撑式机翼理念。其他一些OEM则坚持传统的“大型管道、机翼和发动机”设计。

 

发动机结构也将有不同形式,例如电动式、电池驱动式、电磁式或是混动型发动机,而如今的发动机以电动马达为辅助。OEM将被要求生产更多种类的小误差零件,同时也要找到新的方法降低噪音、重量和排放——总之包括会影响电动系统性能表现的所有因素。但是铝和HRSA零件的加工难度大,所以若要以可持续和利于成本效益的方式实现是一项挑战。

 

快速进步

 

生产更轻、更节能飞机的一个途径是借助增材制造 (AM) 工艺。AM工艺实现了形状极度复杂之定制零件和小误差功能性产品的发展,所以,像格栅这样的难加工零件可以被更轻松地生产出来。软件公司Dassault Systemes发现,在航空航天业,对AM工艺减重可以节能高达25%,而一趟航班每减轻一千克 (2.2) 重量可每年最多节省3,000美元的燃料消耗。

 

但是AM工艺本身是可持续发展的吗?一项与罗马尼亚克卢日·纳波卡技术大学 (Technical University of Cluj-Napoca) 制造工程系共同进行的研究将AM描述为“注射成型、模具压铸或加工等传统制造 (TM) 方式的出色替代”,该研究还称“相比常规工艺,AM更有潜力降低成本、节省能源。”AM也将对产品制造方式及其多样化产生至关重要的影响。优点包括减少碳排放、材料用量和运输,因为可用内部自主生产零件取代引进零件。

 

制造商还可通过快速产品试制生产更复杂、小巧和创新的航空航天零件。快速产品试制包括若干不同工艺,但是目标是相同的:从计算机辅助设计 (CAD) 文件快速生产出实体3D样品模型。通过这些样品模型,可先行对新材质进行少量试生产,然后再大规模制造,以此确保零件的生产做到创新、质量及精度的极高水准。

 

如果要加工难度大的铝和HRSA材料,就必须使用耐磨性更强、寿命更长的刀具。这也是山特维克可乐满专门为车削加工研制了S205材质的原因。S205材质中包含一层单向紧密排布的Inveio晶体,其在刀片周围形成了一道强大的保护屏障,能够使刀具更坚固耐用,提升其机械属性。该刀片已经证明自身有能力生产一系列丰富的飞机零件,包括发动机涡轮盘、环和轴。据山特维克可乐满的客户反映,相比HRSA车削材质,S205的切削速度提高了30%~50%

 

整体化方法

 

为实现加工最强组合,山特维克可乐满推出零件解决方案 (components solution) 为航空航天业的客户提供支持。该解决方案包括了解加工需求和节拍,以此了解单个零件成本。此外还有在最后阶段分析生产方法,与MTM (方法-时间测量) 及终端用户过程均有关。零件解决方案还包括计算机辅助制造 (CAM) 编程以及本地或跨境项目的管理。

 

例如,某客户在生产过程中遭遇了断屑问题,山特维克可乐满的专家为该客户研制出全新的“动态驱动曲线”策略,使其得以随时控制断屑。这种新方法被称为“scoop turning”,目前已经申请专利。凭借此方法,该客户将生产周期缩短了80%,刀具寿命延长了一倍,同时保证了出色的切屑控制。

 

此外,该客户还得以将其所用机床数量从4台缩减至1台,从而降低了对多任务加工的需求,同时保证了更稳定可靠的加工过程和“绿灯生产”。使用更少的机床以及减少换刀次数 (得益于像S205这样的更强韧材质) 将是实现更可持续发展飞机生产的关键。

 

生产重量更轻、飞行里程更长、更环保型的飞机是未来航空业的发展趋势。而行业中的OEM正在凭借正确的加工过程、刀具以及更整体化的制造方法,努力为航空航天业建设一个更环保的未来而贡献自己的力量。