2015年，隨著F-35、A400M、B787、A350等美歐新一代軍民用主力產(chǎn)品全面進(jìn)入批生產(chǎn)階段，復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)非熱壓罐替代、發(fā)動(dòng)機(jī)核心零件設(shè)計(jì)制造增材化和非金屬化、機(jī)體裝配智能化提升等降本增效技術(shù)成為研發(fā)重點(diǎn)；同時(shí)，一批新型金屬材料在航空制造業(yè)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)價(jià)值。航空制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在技術(shù)和市場(chǎng)力量的作用下也在發(fā)生巨大變化。2016年的世界航空制造業(yè)技術(shù)架構(gòu)和產(chǎn)業(yè)格局將延續(xù)2015年的變革性發(fā)展態(tài)勢(shì)。
一、非熱壓罐替代引發(fā)復(fù)合材料制造體系變革
非熱壓罐工藝進(jìn)入熱固性復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域。2015年3月，NASA開(kāi)始對(duì)未來(lái)翼身混合體飛機(jī)概念的非圓柱形復(fù)合材料壓力艙驗(yàn)證件進(jìn)行試驗(yàn)，該驗(yàn)證件由波音的非熱壓罐工藝建造。4月，俄羅斯航空復(fù)合材料公司交付了MS-21干線(xiàn)客機(jī)第一套非熱壓罐工藝制造的復(fù)合材料中央翼盒，該機(jī)機(jī)翼蒙皮也由非熱壓罐制造，這對(duì)大型民機(jī)而言還是首次。
圖 波音采用3D預(yù)形件制成的中央試驗(yàn)件壁板
熱塑性復(fù)合材料在承力部件中受青睞程度越來(lái)越高?？湛屯嘎镀湓贏350之前就已應(yīng)用超過(guò)1500個(gè)零件，并一直在歐盟框架計(jì)劃下從事大型熱塑性復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)研究。龐巴迪公司公開(kāi)了一項(xiàng)新型熱塑性復(fù)合材料托架技術(shù)，適用于飛機(jī)機(jī)翼、中央翼盒以及油箱的液壓和燃油托架，可比金屬零部件減重至少40%。極光飛行科學(xué)公司公布了目前最快、最大的增材制造無(wú)人機(jī)，其機(jī)體采用了熱塑性復(fù)合材料通過(guò)熔融沉積成型等工藝制造出來(lái)。
圖 極光飛行科學(xué)公司3D打印無(wú)人機(jī)
2016年及未來(lái)幾年，隨著技術(shù)成熟、成本降低，更多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造商將從經(jīng)濟(jì)性和周期短的角度，選擇非熱壓罐材料與工藝，這將在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造流程，以及原材料和制造裝備供應(yīng)鏈中掀起新的變革。
二、增材制造和陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)顛覆現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)概念
增材制造進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件生產(chǎn)環(huán)節(jié)。2015年2月，GE航空GE90-94B發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)采用增材制造的T25傳感器通過(guò)美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）適航認(rèn)證，成為首臺(tái)采用增材制造部件的現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)，GE航空還在GEnx上試驗(yàn)了增材制造的鈦鋁合金低壓渦輪葉片。普惠公司表示將在業(yè)界首次采用增材制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)靜子和同步環(huán)支架。6月，羅羅公司生產(chǎn)了有史以來(lái)最大的增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)組件——“遄達(dá)”XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)直徑1.5米的鈦合金前軸承，組件包含的48個(gè)葉片組件也采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)。
圖 澳大利亞聯(lián)邦輕金屬研究中心渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)概念驗(yàn)證機(jī)
陶瓷基復(fù)合材料（CMC）取得發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用重要突破。2015年，GE航空通過(guò)F414發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片成功試驗(yàn)了世界上首個(gè)非靜子組件的輕質(zhì)、耐高溫CMC部件，展示了其極強(qiáng)的耐高溫和耐久性能力；此外，公司還在GEnx上試驗(yàn)了燃燒室襯里的內(nèi)外環(huán)、第一級(jí)高壓渦輪隔熱罩以及第二級(jí)高壓渦輪導(dǎo)向器。GE航空還將在美國(guó)本土建設(shè)碳化硅陶瓷纖維以及碳化硅陶瓷單向帶兩家工廠，前者將打破日本對(duì)碳化硅陶瓷纖維供應(yīng)的壟斷。
此外，還有三個(gè)里程碑事件值得關(guān)注：一是澳大利亞聯(lián)邦輕金屬中心采用法國(guó)賽峰集團(tuán)的設(shè)計(jì)，完全采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了兩臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)概念驗(yàn)證機(jī)；二是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和霍尼韋爾公司等正在進(jìn)行“以增材制造實(shí)現(xiàn)非金屬燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)”的項(xiàng)目，制造出了CMC高壓渦輪噴嘴等一系列復(fù)合材料構(gòu)件；三是德國(guó)弗勞恩霍夫研究所在整體葉盤(pán)增材制造研究的基礎(chǔ)上，提出將傳統(tǒng)增材制造轉(zhuǎn)向新型數(shù)字光子生產(chǎn)的“生產(chǎn)2.0”概念。
圖 NASA制造的陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噴嘴組件
2016年及未來(lái)幾年，增材制造和復(fù)合材料技術(shù)的成熟將顛覆現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造概念，甚至將導(dǎo)致主要采用增材制造和/或復(fù)合材料生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)，這就可以理解GE為何將增材制造和CMC等復(fù)合材料部件的技術(shù)能力牢牢抓在手中，因?yàn)檫@代表著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一種未來(lái)。
三、飛機(jī)裝配領(lǐng)域率先發(fā)生智能化革命
智能自動(dòng)化在飛機(jī)大部件裝配領(lǐng)域嶄露頭角。2015年初，英國(guó)GKN公司表示將領(lǐng)導(dǎo)幾家業(yè)內(nèi)企業(yè)進(jìn)一步完成歐盟“未來(lái)機(jī)翼結(jié)構(gòu)賦能制造技術(shù)的驗(yàn)證與集成”項(xiàng)目，研發(fā)有市場(chǎng)前途的機(jī)翼設(shè)計(jì)、制造和裝配技術(shù)，提升自動(dòng)化和智能化水平。7月，波音展示了其“黑金剛石”項(xiàng)目，其目標(biāo)之一是推進(jìn)基于模型的工程，驗(yàn)證將更多的自動(dòng)化裝配技術(shù)融入復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造中。2016年1月，波音又獲得了一項(xiàng)“機(jī)身全自動(dòng)化制造工廠”的專(zhuān)利，展示了基于自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)和移動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)化、可重構(gòu)、可移動(dòng)智能生產(chǎn)的概念。
圖 空客試驗(yàn)人機(jī)協(xié)同機(jī)器人
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和可穿戴技術(shù)將使飛機(jī)裝配工人的技能得到革命性提升。2015年5月，波音在其加油機(jī)裝配線(xiàn)演示了一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平板工具，機(jī)械師可以看到現(xiàn)實(shí)世界中他正在裝配的扭矩盒單元，也可以看到數(shù)字化的指導(dǎo)書(shū)、零件和箭頭，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界中的視野。6月，空客展示了一種可穿戴技術(shù)，能夠幫助操作人員降低裝配座艙座椅的復(fù)雜度，節(jié)省完成任務(wù)的時(shí)間，目前該技術(shù)正在為A330座艙安裝進(jìn)行工業(yè)化。
圖 空客A330飛機(jī)座椅安裝
此外，2015年10月，美國(guó)數(shù)字制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了“自動(dòng)裝配規(guī)劃”以及美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）“自適應(yīng)運(yùn)載器”的后續(xù)項(xiàng)目“機(jī)械裝配的自動(dòng)公差分配”，兩項(xiàng)研究成果被機(jī)構(gòu)核心成員波音、洛克希德?馬丁、GE航空、羅羅公司等應(yīng)用后，將進(jìn)一步提升航空裝配中的智能化水平。
基于實(shí)時(shí)原位建模仿真的自適應(yīng)加工，裝配指令的自動(dòng)化生成，基于先進(jìn)測(cè)量和柔性理念的自主化裝配，人與可移動(dòng)機(jī)器人的協(xié)同工作，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和智能可穿戴的工人提升，是美歐航空制造商的幾個(gè)主攻方向。2016年及未來(lái)幾年，飛機(jī)裝配領(lǐng)域?qū)⒙氏葘?shí)現(xiàn)智能技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，并延伸至其它制造以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域，屆時(shí)，航空制造也將越來(lái)越“趨于前端”，越來(lái)越依靠“運(yùn)籌帷幄”，航空工業(yè)的博弈將從“賽博空間”開(kāi)始就能夠分出勝負(fù)。
圖 A400M裝配中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)
四、新型材料徹底改變金屬結(jié)構(gòu)制造體系
新型鋁合金產(chǎn)品化為新一代航空裝備減重、降本做出貢獻(xiàn)。洛克希德 馬丁使用一種名為“Beralcast”的材料降低了F-35制造成本，該材料是一種鈹鋁合金，剛度是鋁的4倍，而質(zhì)量只有其1/5，預(yù)計(jì)該材料及其快速、高產(chǎn)的制造工藝將帶來(lái)30%~40%的成本降低。德國(guó)MTU發(fā)動(dòng)機(jī)公司為普惠公司齒輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF）開(kāi)發(fā)的新型鈦鋁合金于2015年12月取得適航認(rèn)證，該合金結(jié)合了鎳金屬和陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)，用于渦輪葉片設(shè)計(jì)可比現(xiàn)有鎳合金組件輕一半，極大優(yōu)化渦輪盤(pán)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)減重。
革命性新型金屬材料有望用于航空結(jié)構(gòu)件制造。波音在2015年10月展示了世界上最輕的金屬材料，它是一種微晶格鎳磷合金，具有壁厚僅為100納米的中空管結(jié)構(gòu)，比碳纖維還輕10倍，但非常堅(jiān)硬，且壓縮50%后也能完全恢復(fù)，具有超高吸能能力。2016年1月，雷神公司公布了一種超強(qiáng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)金屬，材料主要由鎂組成，并注入了密集且均勻分布的陶瓷碳化硅納米微粒，從而具有“創(chuàng)紀(jì)錄”的比強(qiáng)度和比模量，而且能夠批產(chǎn)。
圖 波音開(kāi)發(fā)的超輕微晶格鎳磷合金
2016年及未來(lái)幾年，基礎(chǔ)研究的突破和集成計(jì)算材料工程（ICME）的進(jìn)展，還將使得這樣的新材料不斷涌現(xiàn)，如果技術(shù)和制造成熟度的提升使其能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用，將徹底顛覆當(dāng)前航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造工藝。
五、航空制造基礎(chǔ)供應(yīng)鏈體系發(fā)生巨變
航空鈦合金供應(yīng)市場(chǎng)風(fēng)云突變。2015年7月，美國(guó)鋁業(yè)公司在不到9個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)英國(guó)福瑞盛、德國(guó)TITAL和美國(guó)RTI國(guó)際金屬公司的收購(gòu)，加速布局航空鈦合金以及增材制造市場(chǎng)。8月，巴菲特宣布將以372億美元收購(gòu)精密鑄件公司，大舉進(jìn)軍航空制造業(yè)。面對(duì)來(lái)自資本巨頭的競(jìng)爭(zhēng)，美鋁公司于9月做出拆分決定，加速向下游金屬服務(wù)和加工企業(yè)轉(zhuǎn)型，2015年簽署總金額90億美元長(zhǎng)期供貨合同的航空航天業(yè)務(wù)是其轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。
航空復(fù)合材料供應(yīng)市場(chǎng)集中度陡增。2015年12月，比利時(shí)蘇威公司斥資55億美元完成對(duì)美國(guó)氰特公司的收購(gòu)，坐上航空復(fù)合材料原材料供應(yīng)商次席。受此影響，2016年1月，業(yè)界老大赫氏公司也把一年前只收購(gòu)了一半的英國(guó)Formax公司全盤(pán)買(mǎi)下。此外，2015年7月和8月，加拿大Avcorp工業(yè)公司和英國(guó)梅吉特公司分別提出了對(duì)德國(guó)SGL旗下Hitco公司和英國(guó)科巴姆公司復(fù)合材料業(yè)務(wù)的收購(gòu)計(jì)劃，進(jìn)一步攪動(dòng)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件供應(yīng)市場(chǎng)。
2016年及未來(lái)幾年，航空制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)供應(yīng)體系必將產(chǎn)生劇變，范圍更廣的整合、層次更深的重組，將成為航空制造產(chǎn)業(yè)格局轉(zhuǎn)變的重要里程碑，其結(jié)果，很有可能是航空基礎(chǔ)材料及制件供應(yīng)鏈的寡頭壟斷程度，反超金字塔頂端的主承包商，甚至對(duì)未來(lái)產(chǎn)品研制的話(huà)語(yǔ)權(quán)產(chǎn)生重要影響。
2016年及未來(lái)幾年，航空制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)供應(yīng)體系必將產(chǎn)生劇變，范圍更廣的整合、層次更深的重組，將成為航空制造產(chǎn)業(yè)格局轉(zhuǎn)變的重要里程碑，其結(jié)果，很有可能是航空基礎(chǔ)材料及制件供應(yīng)鏈的寡頭壟斷程度，反超金字塔頂端的主承包商，甚至對(duì)未來(lái)產(chǎn)品研制的話(huà)語(yǔ)權(quán)產(chǎn)生重要影響。
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