3D打印将如何永久改变航空业?

3D打印快讯
2020
06/29
14:41
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来源:36氪

编者按:几年前3D打印就很流行了,但是人们生活中似乎还没有大规模的应用?其实不然,3D打印技术已经潜移默化地渗透进了航空领域,在你看见或者看不见的地方,它早已发挥了重大的作用。本文译自Medium,作者 Hugh R. McArthur,原标题为“How 3D-printing can, and cannot, change aviation forever”。

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大约2年前,GE航空公司的第3万个3D打印喷气式燃油喷嘴成功交付,他们为此大肆庆祝了一番。

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配图来自中关村在线


当时,3D打印和增材制造(AM)技术都是热门话题。如今,更多火爆的新生名词,如区块链,ba-dum-tss……已经取代了3D打印这样曾经红极一时的科技媒体宠儿。

不过除了某些特定的用途之外,3D打印技术的影响如今仍然是有限的,而且往往只限于咨询公司制造昂贵的客户平台使用。今天我想提醒大家的是,利用液态金属来制造零件——ok,也许不是真的 ——还是很酷的。本文就来探讨3D打印技术如何彻底改变航空业供应链的问题。

先明确定义

供应链通常来说并不是什么令人激动的话题,对于有些人来说,光是“物流”二字就足以让人头大了。这就是为什么我坚持认为,要使我们接下来的探索有意义,我们必须从明确定义开始。请对我有耐心一点,至少这意味着事情不会变得更糟了吧?我希望如此。


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上面的图表虽然已经被大大简化了,但它勾勒出了目前航空领域的一般供应链是什么样的。航空业的供应商既包括制造小型零部件的原始设备制造商(OEM),也包括类似制造劳斯莱斯发动机这样的大型零部件供应商。波音、空客等飞机制造商紧随其后。供应链的下游是“客户”,航空公司和航运公司,如英国航空和联邦快递。这些 “客户”当然也有自己的客户,就是坐飞机出行的乘客和有空运需求的顾客。保养维护、维修和大修(MRO)公司通过为飞机运营商提供基本服务,完善了供应链。MRO公司对于航空业来说是如此的重要,以至于实际上,MRO公司才是最有可能通过增材制造技术的广泛应用获得巨大收益的企业。不过,关于MRO的讨论以及它们如何革新的问题,可能更多是技术层面的,过于晦涩,因此我们这里不再赘述。

减少碳排放

根据众多变量计算,燃油成本可能占到飞机运营商运营成本的30-50%。这是一个问题,尤其是根据国际航空运输局(IATA)在2018年的预测显示,未来十年航空燃油价格将经历持续的、指数级的增长。航空公司运营成本的提高,也意味着转嫁到我们这些消费者身上的机票价格提高。

幸运的是,3D打印技术固有的特性,可以帮助航空业提升燃油利用效率。首先,3D打印技术能够整体制造中大型部件,如飞机舱门等,而不需要将较小的部件用螺栓焊接在一起(传统制造方式)。由于使用了较少的冗余材料,就可以制造出更轻、更薄的零件,而不损害结构的完整性。

大型专业软件和模型供应商Autodesk最近做了一个概念验证,展示了增材制造的威力。通过融合传统的铸造和3D打印技术,Autodesk能够制造出一个经济舱座椅框架原型,其重量平均比传统的同类产品轻56%。如果空客A380配备上这种座椅,每年可以为每架飞机合计节省63吨燃油,这也将减少多达190.1吨的同期碳排放量。直白地说,相当于平均每年约12万辆汽车的碳排放量。而这一切仅需更换几个飞机座椅就可以实现。


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Autodesk 3D打印生产的经济舱座椅,预计可帮助节省燃油(图片来源:Autodesk via 3dprinting industry.com)


但是这还不是全部。

还记得本文开头提到的GE的3D打印喷气式燃油喷嘴吗?他们并不仅仅是在庆祝这个零件的利润提高了多少。事实上,这种喷嘴制造成功标志着航空技术的突破。

与汽车发动机一样,喷气式发动机的燃烧完全性会极大地影响发动机的效率。目前,提高燃烧完全性的方法之一就是在燃烧室中更均匀地分配燃油。燃油分配正是前面提到的燃油喷嘴的工作。3D打印的LEAP喷嘴不仅重量减轻了25%,耐用性提高了5倍,而且还具备高度复杂的流道,使燃油喷射到燃烧室中的效率极高。3D打印喷嘴的效果,以及其它设计上的改进,使得LEAP发动机的燃油效率比它的前代产品提高了15%。

令人兴奋的是,持续的增材制造实验和实施应用将产生许多有益的结果。燃料成本、碳排放量、整体出行价格的上涨,都可以通过增材制造技术得到部分地遏制。而且,还有更多的好处。

有些供应商日子会不好过了

制造所有的飞机零件都必须首先进行概念化和原型设计,而增材制造可能会使这些过程发生重大转变。

传统的金属制造方法包括金属成型、铸造、机械加工和焊接,这些制造过程都需要大量的时间、专业设备和技术能力。此外,要找出一个最佳的生产方法,还需要时间来琢磨。有一个现成的例子,GE公司的LEAP发动机燃油喷嘴在开发阶段由于几何形状的复杂性,8次浇注都没有成功。

很多时候,在试图构建新的设计时,制造商往往需要等待现有的供应商来解决生产能力上的限制。在其它时候,他们将不得不寻找具有生产创新零件所需能力的全新供应商。因此,从新零件的概念化到可工作原型的交付,制造商往往不得不等待很长时间。增材制造将有可能在很大程度上颠覆这种原来的设计和原型制作过程。

从根本上说,增材制造是依靠增加材料的层数来生产出最终产品,而不是取走材料。这意味着可以完全避免耗时的工程上的挑战,例如如何准确地切分金属板,然后重新组合以形成一种新的机翼襟翼设计。此外,增材制造操作也不需要很高深的技术。这使得制造测试用的原型零件既可以完全在公司内部进行,也可以外包给少数AM供应商。这会产生两大影响:


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增材制造是如何促进新零件设计的原型开发过程——以塑料零件为例


首先,从长远来看,某些飞机零部件制造商可能会遭受损失。增材制造技术使得通常分散在多家供应商的传统制造能力,可以整合到具备一台3D打印机的小型团队中。举个例子,2017年,GE公司做了一个实验,打印了一架旧直升机的发动机。他们发现,只需6名工程师和一台3D打印机,就可以进行原型制作,完全可以取代传统制造方式所需的10-15家以上的供应商。

其次,虽然使用增材制造技术进行量产往往成本更高,但如果不需要聘请多家供应商,将大大减少测试新设计的交付时间。有一个具有里程碑意义的例子——波音公司仅用30个小时就打印出了一个17.5英尺长、5.5英尺宽、1.5英尺高的机翼装饰和钻孔工具。这比“通常的”制作过程耗时少得多——本来原型制作要花费更长的时间——整整3个月。大大节省设计和实验的时间是增材制造技术带来的一个明显的好处,尽管对零部件供应商来说相对不利。

任何事情都有它的局限性

人们可能会认为,缩短设计交付时间也可以缩短产品上市时间。人们还可以断言,3D打印技术在航空领域的影响可能会导致竞争更加激烈。那么综合来看,产品的生命周期将会缩短。但是这是不可能的,幸与不幸其实取决于每个人对事物的看法。

商用飞机需要巨大的资本投入。因此,运营商总是希望在更换资产之前产生足够的回报,以证明初始成本的合理性。此外,为了制造每一种新型号的飞机,各个国家和地区都投入了巨大的工厂空间、劳动力和专业设备等资源。通常情况下,这些资源不容易转换为其他替代品,早早关闭每条昂贵的生产线也是完全不可能。

然而,生产技术的不连续性,往往具有鼓励生产技术进一步创新的效果。在玻璃制造行业中,Lubbers机、Colburn机和浮法玻璃的出现莫不如此。因此,3D打印技术所产生的成果可能是由实验兴趣和能力的提高所驱动的创新。

飞机上的创新应用

第一个乘客可以看到的3D打印飞机零件出现在2018年,是A320沿头顶舱安装的隔板。同样,一个直接的好处是提升了燃油利用效率,因为这些隔板的重量比传统制造的同类产品轻了15%。然而更有趣的是这个案例对飞机定制的影响。

制造新的塑料飞机零件经常需要定制注塑模具装置(开模),那是一个复杂的、花费昂贵的、漫长的过程。虽然注塑成型在大批量生产中具有很高的成本效益,但对于小批量生产来说,简直就是在浪费钱。这是因为大部分生产的成本来自于原始模具的制作,在产量很少的情况下就没有规模效应。在这种情况下,飞机制造商实际上不可能为买家提供高水平的定制服务,除非许多或所有买家都想要该功能(产品)。

然而,上面提到的隔板是作为芬兰航空公司的特别定制部件加装的,几乎没有产生额外的成本。增材制造绕过了注塑成型中必须的模具设计、制造和测试阶段。这大大降低了小批量生产定制零件所需的时间和成本。尽管如此,我们应该了解,在大批量生产的情况下,增材制造的花费和时间成本也会超过传统的成型方法。这是由于较高的单位可变成本,目前而言这是3D打印解决方案的普遍现象。


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图解增材制造和注塑成型在不同产量下的成本比较


对于制造商和航空公司来说,这种生产动态变化将使加大定制化具有经济上的可行性。波音公司表示,他们相信增材制造将能够提供更多的客舱定制服务,尤其是在客舱家具、纹理和标识等领域。随着时间的推移,密集型的定制形式也可能实现。航空公司可能会要求模块化的座椅组件和独特的头顶隔间设计。在这一发展过程中,航空公司的乘客将是最大的受益者,他们将享有更丰富的体验和更高的舒适度,因为航空公司们都试图明确地标榜自家的与众不同。

那么最终会怎样呢?

最终,增材制造所带来的诸多好处将流向供应链的下游。使用增材制造进行组件实验的便利性会促进产品和服务的创新,但是具体的好处目前比较难以预测,总体上应该对乘客和航空公司都有利。更明确的是,重量减轻和燃油效率的直接提高无疑会全面降低出行运输价格——当然是在其它条件不变的前提下。在航空运输业竞争激烈的环境中,航空公司的运营成本会有所降低,而这些节省的成本将通过票价使乘客受惠。

虽然增材制造不太可能将我们的飞机变成无视重力的UFO,但我们当然可以期待在不久的将来,乘飞机出行能享有更大的舒适度、更多的创新设计和更低的价格。这些变化将逐步而稳定地发生,不知不觉中,航空运输业肯定会变得大不相同。


译者:张茉茉


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