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为了减少航空碳排放，促进碳中和，先进制造商Arris复合材料公司(美国加州伯克利)开展了一个与空客公司(法国图卢兹)的一个研究项目。在这个项目旨在通过新材料、新工艺减轻结构重量，开发更适合于飞机的轻型复合材料支架。 以往，飞机中的大部分承力支架主要是金属结构，而辅助支架多为短纤维增强复合材料结构。这个项目的研究者将传统金属支架(220克)通过拓扑优化得到轻量化的结构构型，然后再结合连续纤维3D增材制造技术，结构重量可减轻至50克，减重效率达75%左右。 备注：针对上述拓扑以后的镂空结构，传统复合材料铺放工艺难以实现，且对开孔敏感，此处采用的是连续纤维3D打印技术。 单个辅助支架的重量虽然低，但在飞机中的数量庞大，以往飞机的减重都侧重于对承力结构进行减重，而忽略了具有巨大减重潜力的辅助支架。例如一架飞机中包含500个支架，每年生产100架飞机累积可达50000件支架，全寿命周期内可节省1.13亿吨燃料，减少3.57亿吨二氧化碳排放。辅助支架的减重对于降低飞机全寿命周期的成本有着显著的作用。 空客创新经理Bastian Schäfer表示:“在我们有生之年，空客正在朝着更清洁、更可持续的空中旅行方向发展，要实现这一改变，需要探索具有重大影响和实际应用的颠覆性想法”。“我们设计和制造飞机的方式正在改变，因为像Arris这样的新兴科技公司实现了我们对更好的空中旅行的愿景。我们知道仿生学、拓扑优化和先进复合材料是未来的趋势，而Arris正在帮助我们将这些设计和材料的理想结合起来，以制造未来的飞行器”。 此外，Arris增材制造技术还结合了传统增材制造(AM)和快速模压成型工艺，此项技术或可对支架等替代结构及未来的飞机结构产生重大影响，促进碳中和。空客本身也致力于探索此类技术途径，以支持其未来可持续的发展愿景。 “批量生产”一直是工业界对于复合材料制造的一个迫切需求。然而，复合材料变化的设计铺层，多样的结构形式又不断做给批量生产的实现提出挑战。目前，除了拉挤成型技术（仅限简单截面）外，尚无能真正实现批量生产的复合材料制造技术。 增材制造技术非常适合用来小批量制造具有连续定向纤维增强材料的部件。但是，尽管自动纤维铺放 (AFP) 和连续纤维 3D 打印（3DP）等技术正在快速发展，但它们尚未达到复杂高性能复合材料部件的批量生产水平。 Arris将AFP和3DP两种技术结合起来，发展了一种“齐列纤维增强”（aligned fiber-reinforced molding）成型技术。该技术的特色是整个生产过程是垂直整合的：从干态碳纤维丝束开始，预浸成带或丝束，并将其直接送入下一个生产步骤。然后就有专门的机器人将预浸料成型、切割和放置到模具腔内。放置完成后，就会自动关模和加温加压。 该方法会在结构特征（如开孔）周围添加纤维路径，而不是像传统复合材料生产一样将预浸料切割以适应这些特征。重要的是，一旦没有了切割这一步骤，产生的废料会大大减少，因此可促进大批量生产和应用，发展规模经济。 在时间方面，该技术也具有显著的优势。在传统的复合材料制造中，铺贴工序占据了大量的工时，在某些部件上甚至占到了50%以上。而Arris的这项新技术大量缩短了铺贴工时，使得限制生产节奏的步骤变成了固化工序。 总之，对于使用Arris的这项新技术制造的“齐列纤维增强”结构，预计成本极低——低到足以使部件成本与他们将要更换的传统工艺部件相比具有竞争力，并提供比传统工艺部件高得多的性能。 |
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