【科技评论】制造技术的飞跃促进飞机升级换代

航空制造技术是航空产品研制、生产的基础技术，涉及产品的设计、制造、管理及售后服务全过程。它集机械、电子、光学、信息、材料、生物科学和管理学为一体，构成多学科交叉、技术密集的技术体系。航空制造技术对提高飞机可靠性、减轻结构重量、延长使用寿命、缩短研制周期、提高经济可承受性起着至关重要的作用。可以说，飞机的发展对航空制造技术提出了明确的需求，而航空制造技术的飞跃也促进了飞机的升级换代。

航空发展史很大程度上是飞机性能改进和成本减小的历史。而成本减小的历史是曲折的，有时会因为制造技术的进步成本有所增加。正如碳纤维增强塑料的出现，使高速加工大型和复杂金属结构件制造技术回到了劳动密集和昂贵手工铺放和装配时代，就像回到了钣金制造时期。随着围绕碳纤维性能进行结构和设计优化改进后，工业部门实现了自动化生产。对于大批量的大型且简单零件的制造来说，自动铺丝代替手工铺放的投资是合理的。随着装配自动化的实现，大批的钻孔、安装紧固件以及检测零件尺寸和缺陷的工作实现了自动化，但是碳纤维带来的挑战仅仅刚开始。

其一是浪费问题。金属坯料的加工有时要去除90%或更多材料，但是废料是可回收的且原材料的大部分价值可恢复。碳纤维回收还处于发展早期阶段，到目前为止恢复的纤维只能用于低价值应用，如道路、汽车和飞机内饰。

其二是可变性。对于复合材料来说，材料和零件的制造是同时的。零件中的纤维直径和树脂数量会发生变化，足以造成零件连接时的累积误差，因此装配时需要耗时的调整配合和增重垫补。

例如，在F-35上，结构和碳纤维蒙皮边缘和内侧在装配时通过最后的精加工来确保外模线台阶的相当高精度公差，从而维持隐身性能。同样的技术估计在未来民用飞机制造中也需要，设计者正在通过类似最小化表面波度、台阶和间隙努力实现机翼和尾翼层流减阻。

随着偏差自动控制，碳纤维尺寸可变性是一个挑战，采用更多整体、共固化结构取消了零件数量、装配台阶和误差累积，同时机器人也能减少变量的产生。飞机装配生产线上的机器人不像汽车生产线上所使用的，不仅大且工作时间长，是专门设计的可编程机器，用于机翼蒙皮自动钻孔或准确且可重复连接机身和机翼部件。

从钻孔到连接，机器人已经扩展应用到焊接、密封、防水试验、喷漆和光整，甚至在机身内安装支架。如F-35项目使用工业机器人进行喷漆和隐身涂料喷涂，代替以前的人工劳动，避免了大量返工带来的经济问题。

工业化的结果是更多可移动、模块化和柔性机器人进入装配生产线，尤其是开发能够与人类合作完成复杂任务的系统。例如使用机械外骨骼帮助技术人员运送重负载或在难操作空间工作。用于大型结构件能够承担大批量可重复任务的多机器人装配系统以及类人机器人已经进行了测试。

碳纤维复合材料正促使制造项目提高自动化程度

碳纤维复合材料的出现还产生另外一个问题，那就是引起铝腐蚀，这两种材料是在航空航天中应用最多的，但不能互相接触，这使得昂贵的钛合金获得应用，用于连接复合材料结构，但钛合金的应用带来原材料和加工成本的升高。

轻量化铝锂合金用于空客A350和庞巴迪C系列

为了降低787飞机成本，机体结构采用了重量15%高强度合金，其中用涂层保护的铝合金零件代替钛合金，如座舱窗框和座椅调节导轨。但是工业部门最大的动力是降低钛合金零件的买飞比。

买飞比是所购材料的重量和成品零件重量之比，一般来说大于20:1，787飞机上的关键零件达40:1，这意味着超过95%的原材料去除掉且必须回收。这样一种状态驱动制造商开发精密锻造近无余量成形工艺，该工艺仅需要少量的加工，不仅节省加工时间且减少浪费材料。类似的近无余量工艺还包括线性摩擦焊，可使简单的钛合金坯料熔合为复杂零件，从而减少加工量，避免浪费。

获得最大关注的近无余量工艺是增材制造或3D打印技术，该技术能够制造复杂、高性能金属零件，无需工装，只需少量或无需精加工。在航空航天应用增材制造技术，不仅仅是从3D计算机辅助设计文件打印一个零件，还需要提供相当于铸造或锻造零件的性能，这个难度是很大的。粉末金属质量、零件中残余应力、打印零件的机械性能和表面光洁度都是要克服的难点。

对于航空航天3D打印来说，确保金属粉末质量是一个挑战

对于航空航天工业来说，现有零件采用增材料制造意义不大，除非生产已停产的配件。增材制造对于设计灵活性更有价值，可减少零件数量，如CFM Leap-1发动机燃油喷嘴，通过改进设计用一个零件代替复杂的装配件。航空航天制造商对于增材制造还很谨慎，但金属3D打印技术在涡轮发动机和火箭发动机上的应用正在增长，各种领域的开发和纤维增强塑料3D打印将会产生长期影响。

使用增材制造生产优化的空客A350支架

未来，仿生零件拓扑学、混合材料增材制造，以及在零件上打印嵌入式电子元件和配线这些技术，一旦变得成熟将对航空航天应用产生巨大影响。小型无人机可采用常规增材制造技术，可能不久就可按需打印，如根据指定任务进行定制，一晚上就生产出来。该技术可能用于大型飞机以及更复杂和关键零件。目前增材制造金属零件已经在航天器上飞行，飞机上应用的首个零件正在进行评估。

柔性制造技术，如增材和机器人将继续发展，特别是在飞机生产速度不确定时，将帮助制造商渡过不可避免的市场周期，避免经济繁荣与萧条时雇佣和解聘雇员带来的不好声誉。这些技术长期来看可提供更经济可承受性的航空产品，但也只有在生产速度提升的繁荣时期，制造商才会在这些新技术上进行昂贵的投资。

（来源：民机战略观察公众号，ID：CivilVision，航空工业发展研究中心 任晓华）