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2021年，航空制造技术在民机领域多个方面取得重要进展。随着数字生产力成为全球制造业广泛重视的战略高地，数字工程技术正不断推动民机产品与制造工艺设计向高精度建模仿真及可视化方向发展；复合材料构件方面，制造工艺与应用持续向高速化、自动化、大型化、绿色化发展，并针对热塑性复合材料制造工艺开展了大量研究与应用试验；增材制造方面，钛合金、复合材料增材制造在发动机、飞机结构应用范围不断扩大，金属增材制造突破更大尺寸的承力零件制造；数字化与智能制造方面，航空制造商积极建设集成优势技术的智能互联工厂，人工智能、机器人、物联网等技术不断为产品装配与全周期管理带来更先进的解决方案。此外，随着新一代网络与通信技术的快速发展，各国积极探索面向工业4.0的先进网络部署与应用途径，为航空制造业的高可靠无线互联、实时监控、远程协同等赋予无限可能。 一、数字工程有力支撑航空产品研发、生产和服务1、英国建模与仿真中心认为数字工程是实现可持续航空的关键2月，英国建模与仿真中心（CFMS）首席技术官称数字工程已经为航空航天设计周期开辟了新的可持续方法，使新的设计方法、流程和思路成为可能。CFMS研究团队对一架轻型多功能客机的设计进行了试验，通过自动化概念设计和高性能计算，可以快速创建和评估成千上万种不同的设计。为提高工程效率，CFMS研究团队基于传统数字方法训练了一个人工智能系统，以在更短的时间内以相当少的计算资源获得最优的空气动力学解决方案，从而显著改善机翼的空气动力学性能。数字工程还可将工业4.0系统中的真实数据整合在一起，创建更智能的生产设施。从设计优选和人工智能到多目标优化和智能制造，数字工程为航空航天业加速研制周期和更快实现航空净零（net-zero）排放提供了机会。 2、欧盟“洁净天空”ANALYST项目使用数字模拟工具优化飞机电缆铺设
9月，“洁净天空”计划推出ANALYST项目，旨在使用数字模拟工具优化电缆铺设，利用基于多导体传输线网络方法的统计模拟工具，帮助航空专业人员在飞机内以最佳方式铺设电缆。该工具将适用于各种不同类型电缆（一根电线、几根电线、屏蔽和非屏蔽等）的各种不同测试情况，以及众多数量电缆（从几十根电缆到几百根电缆）。该项目为优化飞机电缆束铺设的新方法铺平了道路，代表了从基于经验的平行电缆束之间距离规则到基于数值评估的规则的转变。 3、美国势必锐公司展示“北极星”数字工程先进装配演示验证项目
8月，美国势必锐系统公司展示了联合洛马公司“臭鼬工厂”开展的“北极星”数字工程先进装配演示验证项目。基于洛马公司“星驱动”数字工程环境无缝协同和数据共享的优势，势必锐公司成功在X-59超声速飞机的部分结构上实现了全尺寸孔确定性装配。项目过程中，研发团队能够基于产品要求，对生产流程进行设计、规划、模拟、实施和验证，在实际制造零件之前判断和修正在产品装配时可能遇到的问题，最终使产品装配时间缩短70%，产品初始质量提高95%。此外，“北极星”还重点展示了洛马公司如何将第三方供应商直接引入其集成数字环境（IDE）中，进而快速验证和集成各项先进生产工艺。 4、“数字螺旋桨推进器”项目利用数字技术开发可持续复合材料螺旋桨叶片
7月，由Dowty螺旋桨公司牵头，英国国家复合材料中心等参与的“数字螺旋桨推进器”项目已使用新工艺设计并制造了全尺寸螺旋桨叶片原型件。研究团队采用针对热塑性复合材料的先进三轴碳纤维编织技术作为低成本、自动化、高性能和环保的制造工艺，利用复合材料取向特性提供关键性能和强度，同时最大限度地发挥轻量化特性优势，实现叶片整体减重。项目开发的参数化螺旋桨系统模型仅需几周就能够在一些复杂问题上提供人脑需要数千年才能完成的运算能力。通过复杂的数据模型，将提供全系统级空气动力学和声学性能改进，并通过创建数字线索为大数据的使用奠定基础。 二、复合材料制造工艺与应用向高精度、绿色化拓展1、El与Victrex公司合作实现航空结构热塑性复合材料高速自动铺放
1月，美国电冲击公司（EI）与高性能聚合物解决方案提供商Victrex合作实现了更高速率的热塑性复合材料自动铺放方法，有望用于生产航空大型热塑性复合材料结构部件。使用可变光斑尺寸（VSS）激光加热增强的自动纤维铺放工艺，并结合VICTREX LMPAEK材料的优异特性，电冲击公司能够将热塑性单向胶带的铺放速度提高到约101.6米/分钟。经生产试验，证明了新工艺和材料可在生产无孔隙的层压板方面表现出最佳性能，特别是纤维在树脂中的尺寸和均匀分布性，可在层叠后无需任何其他处理步骤的情况下生产出高质量部件。 2、GKN公司利用多模态机器人系统显著提高复合材料部件无损检测效率
6月，GKN公司在其位于德国慕尼黑生产复合飞机部件的工厂中引入奥地利FILL公司的柔性、动态ACCUBOT多模态机器人系统，显著提高了无损检测的效率和可靠性。ACCUBOT解决方案采用两个在直线轴上平行运行的关节型机器人，利用自动更换工具技术，可以在一次装夹下用不同的方法进行检测。系统可集成X射线、断层扫描、热成像和非接触几何测量等手段。此外，带有附加旋转轴的工具能够在狭小的、高度扭曲的区域进行穿透检测。ACCUBOT系统的引入可以使几何检查时间从11小时减少到0.5小时。 3、英国国家复合材料中心推出用于大型复杂部件的新型AFP/ATL单元
5月，英国国家复合材料中心推出与电冲击公司合作研发的新型自动纤维铺放/自动胶带铺设（AFP/ATL）单元。该单元的AFP加工头可以使用8个12.7毫米宽的丝束和红外加热器或humm3闪光技术制造热固性复合材料；ATL加工头可以放置75/200/300毫米宽的胶带。垂直/水平旋转器允许使用复杂的模具来创建几何形状，例如凸/凹面板、大直径管道、梁或桶/塔结构，制造直径达4.6米，长度达7米。此外，还允许进行较小规模的材料测试或原型试验分析，以降低风险并在大规模实施项目之前积累知识，为飞机和发动机结构的开发应用提供了途径。 4、荷兰航空航天中心试制世界最大热塑性复合材料飞机机身结构件
6月，荷兰航空航天中心联合团队应用新材料尝试制造了长8.5米，直径4米的单体飞机下机身部件，成为世界上已知的最大的单体热塑性材料成型件，该结构件也是“洁净天空”2 STUNNING项目的最新成果。项目联合团队应用了荷兰航空航天中心最先进的自动纤维铺设技术，下半部分原位固化，上半部分通过热压罐固化，充分验证了热塑性材料和自动纤维铺设技术对制造飞机蒙皮、加强筋/底梁/机舱/舱门等结构件方面的通用性，显著推进“洁净天空”2项目进展。 5、欧盟“洁净天空”2计划开发支线飞机全尺寸碳纤维压力隔框演示件
11月，欧盟“洁净天空”2计划的全尺寸创新压力隔框（FUSINBUL）项目完成了两台 3.5 米全尺寸压力隔框演示件的开发工作，将用于全桶测试和认证。该项目由欧盟“地平线2020”计划资助，旨在开发和验证两种先进的制造工艺，以显著降低支线飞机复合材料压力隔框的整体生产成本和时间。FUSINBUL团队表示，隔框使用碳纤维增强塑料（CFRP）和先进叠层技术制造，目的是提高隔框的批量生产能力。目前已应用的工艺包括环氧树脂CFRP预浸料使用共胶接工艺、使用非热压罐液体树脂灌注CFRP干纤维后铆接。 三、增材制造技术助力快速、轻量化制造与维护1、挪威钛公司向莱昂纳多公司交付波音787飞机增材制造部件1月，挪威钛公司向莱昂纳多公司交付了新的波音787飞机部件。利用专利的快速等离子体沉积（RPD）工艺，挪威钛公司实现了Ti-6Al-4V预制件的近净设计，可以减少40%以上的原材料需求，同时保持了波音飞机结构所需的严格工艺控制和材料性能。莱昂纳多公司还在其直升机生产线针对金属3D打印部件开展密集的工业化试验，航空结构部门也致力于测试复合航空材料生产过程中的纤维挤压增材制造技术。 2、赛峰集团为公务机制作出首个3D打印的大型钛合金前起落架组件
4月，赛峰起落架系统公司使用SLM解决方案公司的金属选区激光熔化技术制造了公务机前起落架部件，该部件过去从未使用增材制造创建。作为将载荷从机轮传递到飞机结构的结构之一，该大型尺寸为455 x 295 x 805mm，采用钛材料并在SLM解决方案公司的四激光机床SLM 800上完成一次成形打印，可承受较高的应力。采用增材制造方法后，前起落架部件的总重量降低了15%，同时又保持了力学性能，展示了增材制造在航空领域的应用潜力。 3、ITP Aero公司使用3D打印技术制造UltraFan发动机关键部件
10月，西班牙ITP Aero公司使用3D打印技术为罗罗公司第一台UltraFan演示验证发动机UF001制造了尾轴承座部件。该部件专为承受UltraFan发动机的各种载荷而设计，装有部分用于支撑发动机风扇轴的轴承，还包括可拆卸的消音板，这些消音板也是使用3D选区激光熔化方法制造的，可使UltraFan发动机噪音降低50%。 4、快速应用集团利用增材制造生产飞机发动机微型叶片
1月，快速应用集团宣布将使用选择性激光烧结（SLS）增材制造工艺，为Metro航空公司提供美国联邦航空管理局认证的微型叶片部件。微型叶片最初是由洛马公司开发并获得专利的，Metro航空公司拥有该产品的生产、销售和分销的全球独家许可。该类微型叶片现已在五大洲的货机上使用，可将燃油消耗减少多达4%，并减少发动机磨损和总体运营成本。 5、俄罗斯国家技术集团获得3D打印批产飞机部件许可证10月，俄罗斯国家技术集团增材技术中心宣布获得了俄罗斯工业和贸易部的许可证，可通过3D打印对民机、直升机和发动机的部件进行批生产和试验。该增材技术中心成立于2018年，是俄罗斯批准的第一家为航空业进行大规模3D打印的企业，目前已掌握了450种零部件的生产能力，拥有俄罗斯最大规模的3D打印设备，可将单个部件的生产时间从6个月缩短至3周。 四、数字化智能生产与装配技术不断创新1、空客公司开始组装首个未来“生态机翼”原型
9月，空客公司的一项主要研究和技术计划“明日之翼”已经达到了一个关键的里程碑，其首个全尺寸机翼原型已经完成组装。该计划不仅将测试空气动力学和机翼结构方面的最新复合材料和新技术应用，而且重在探索如何改进机翼制造和工业化手段。计划共将制造三个全尺寸机翼原型：一个用于了解系统集成；第二个进行结构测试，并与计算机建模进行比较；第三个将组装和测试扩大生产，并与工业建模进行比较。三个机翼原型将汇集100多项新技术，持续探索使航空更具可持续性的新的制造和装配技术。 2、德国Broetje-Automation公司推出飞机机身高精度装配定位系统
8月，德国Broetje-Automation公司达到第250次交付EcoPositioner系统的里程碑，该系统作为内应力装配保形（BiSconA）项目成果的一部分，是一种专为改进飞机装配而开发的模块化高精度定位系统。基于智能算法，模块化和可重构的定位技术能够补偿机械和热影响，实现快速定位。系统结合了包含力学、控制和测量技术的单一知识源，进一步优化了系统的可用性，可用于机身部件的组装，部件与机身的连接，以及机翼和尾翼部件与机身的连接等。 3、德国航空航天中心提出基于人工智能专家系统的总装线概念
8月，德国航空航天中心复合结构和自适应系统研究所提出了一种基于人工智能专家系统的总装线概念，可通过人工智能预选择零部件以减少装配区域过大的公差，每个部件都可实现“即插即用”。在该专家系统中，通过神经网络评估记录的参数，人工智能能够筛选可以独立组装的单个部件，并利用它的“经验”发出装配是否可行的信号，所获得的知识可以用于未来工厂新的柔性装配概念，也可以用于未来设计师的新结构理念。德国航空航天中心计划将该专家系统全面引入到批量生产中。 4、俄罗斯发动机集团精确焊接机器人设备投入应用
3月，俄罗斯发动机集团库兹涅佐夫发动机厂用于制造航空发动机压气机、涡轮、支撑点的精确焊接机器人设备投入运行，使工厂的生产速度提高了15%。新设备的机械手沿11个轴运行，使零件可以5米/分的速度按所设方向旋转和移动，焊接过程一般不超过10分钟，焊接精度可达0.1毫米，可焊接构型较全面，制造的产品能够满足航空航天工业的要求和标准。 5、赛峰选用橙色商业服务公司智能跟踪物联网解决方案
11月，赛峰飞机发动机公司选择橙色商业服务公司为其配备智能跟踪物联网解决方案，该解决方案基于行业领先合作伙伴的生态系统，专门从事工业环境中的地理定位技术，可以在复杂的环境中准确定位3m内的位置。通过将跟踪器安装在超过15000个特定工具上，并在分别为55000和20000平方米的两个工厂安装了250根天线，工厂可以在定制的集成软件平台的帮助下，实时远程地找出被跟踪工具的位置。该解决方案还优化了其庞大工具的管理和预防性维护，为工业 4.0 工厂的额业务挑战提供创新解决方案。 五、先进网络与通信技术有望加速制造业迈向数字互联时代1、英国首个工业量子安全网络成功实现制造数据远程共享4月，由“数字工程技术与创新”合作伙伴、英国电信和东芝公司创建的英国首个工业量子安全网络，在2个月的试用期内成功地使用量子密钥分发（QKD）共享远程制造的实时数据。项目团队在英国国家复合材料中心和建模与仿真中心之间部署了覆盖范围达7公里的量子安全网络，通过使用标准光纤基础设施和专用路由，成功对英国国家复合材料中心的复合材料机床进行了远程操作，该型复杂机床可用于制造精密的中空航空发动机叶片。 2、弗劳恩霍夫生产技术研究所开发基于5G和TSN网络的端到端实时通信设施
2月，弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT）联合机械工程、网络技术和机器人技术领域的合作伙伴，开发了一种基于5G移动技术和时间敏感网络（TSN）的端到端实时通信基础设施，以在5G生产网络中实现快速可靠的数据交换。合作伙伴正在测试初始应用场景，包括实时控制机器人辅助的激光加工和协作机器人装配过程。此外，IPT正在测试使用现代边缘云系统进行数据的快速处理，以开发5G在网络化自适应生产中的潜力。 （中国航空工业发展研究中心 阴鹏艳，刘亚威等） |
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