Después de que el pico de carbono y la neutralidad de carbono se escribieran por primera vez en el informe de trabajo del gobierno chino en 2021, la neutralidad de carbono en las dos sesiones en curso se ha convertido una vez más en un tema candente de discusión. El calentamiento global ha llevado a un aumento de los riesgos climáticos, y lograr la neutralidad de carbono es la misión más urgente en el mundo de hoy. A juzgar por la cantidad total de emisiones de carbono a escala mundial, la industria de la aviación en realidad no es un hogar súper grande de emisiones de carbono, pero definitivamente es un "hogar difícil" en la reducción de emisiones de carbono. Con el aumento en el número de aviones, sigue siendo una tarea desafiante explorar y mejorar continuamente varios medios de ahorro de energía y reducción de emisiones para lograr el objetivo establecido de neutralidad de carbono en la industria aeroespacial.
La fabricación aditiva permite la neutralidad del carbono en el ciclo de vida en la industria de la aviación
El académico Lu Bingheng señaló: "En el futuro, la industria manufacturera de China se dividirá en tres partes: material, reducción de material y adición de material". Especialmente en el campo de la aviación, la fabricación aditiva tiene ventajas únicas, como la reducción del peso de las aeronaves, la formación de piezas complejas y la realización de la integración de componentes, lo que ha demostrado un gran valor y amplias perspectivas de aplicación. Las piezas del gran avión doméstico de pasajeros C919 utilizan tecnología de fabricación aditiva para procesar la línea del ala central; el Boeing 787 Dreamliner tiene 30 piezas fabricadas con tecnología de fabricación aditiva; El motor aeronáutico avanzado GE9X de GE tiene más de un tercio de los componentes. Se realiza mediante fabricación aditiva.
Cuando consideramos todo el ciclo de vida del producto del diseño y la fabricación de productos aeroespaciales, el transporte aéreo, el mantenimiento del producto y el mantenimiento desde una perspectiva de desarrollo, las características de la tecnología de fabricación aditiva determinan que tiene ventajas considerables sobre la fabricación tradicional en términos de neutralidad de carbono.
Diseño y fabricación
1. No es necesario abrir el molde, iteración rápida. La ventaja más destacada de la tecnología de fabricación aditiva es que las piezas de cualquier forma se pueden generar directamente a partir de datos gráficos por computadora sin mecanizado ni molde, lo que reducirá en gran medida el proceso iterativo, acortará el desarrollo del producto y el ciclo de fabricación, y aumentará la energía en el proceso. proceso de desarrollo. el consumo se reduce significativamente. El profesor Wang Huaming de la Universidad de Beihang dijo una vez que China ahora puede usar tecnología de fabricación aditiva para imprimir el marco de la ventana de vidrio de la cabina del avión C919 en solo 55 días, mientras que una empresa europea de fabricación de aviones dijo que producirán lo mismo durante al menos 2 años. La tecnología de fabricación de materiales acorta en gran medida el ciclo de producción y mejora la eficiencia.
2. Forma neta, alta tasa de utilización de material. Una forma clave en que la fabricación aditiva puede ser neutra en carbono es usar menos material para cada pieza, componente y producto. La fabricación aditiva es una forma neta, lo que reduce en gran medida los desechos generados en el proceso de corte, fresado y rectificado de la fabricación tradicional, y la tasa de utilización del material del producto final mejora considerablemente. Además, a través de la optimización de la topología, la formación de estructuras de celosía, estructuras de celosía, etc., también puede lograr el propósito de ahorrar materiales.
3. Integración de la estructura funcional, reduciendo los procedimientos de procesamiento y montaje. La tecnología aditiva no requiere herramientas y accesorios tradicionales ni múltiples procedimientos de procesamiento, y puede fabricar de forma rápida y precisa piezas de cualquier forma compleja en un solo dispositivo, logrando así la integración de las funciones y estructuras de las piezas, y reduciendo en gran medida los procedimientos de procesamiento y ensamblaje. el proceso para lograr el objetivo bajo en carbono del proceso de fabricación.
Acarga ir
1. Reducir el peso y reducir el consumo de combustible. Para los equipos de aviación, la reducción de peso es su tema eterno, y una reducción del peso del 5 por ciento puede ahorrar el 20 por ciento del consumo de combustible. La fabricación aditiva puede reducir el consumo de energía durante el transporte al reducir el peso de los componentes de la aeronave.
2. Mejorar la eficiencia de combustión del motor y reducir el consumo de combustible. Dentro del motor, la tecnología de fabricación aditiva completa la fabricación de la cámara de combustión y muchos elementos estructurales, lo que hace que el motor sea más simple, liviano y compacto, lo que le permite ahorrar hasta un 15 por ciento de combustible al mejorar la eficiencia del combustible solo por diseño.
3. Imprima bajo demanda, reduciendo el desperdicio de energía. La fabricación in situ y de impresión bajo demanda reduce el desperdicio de energía general y reduce la huella de carbono. Los costes medioambientales como el montaje, el transporte, la logística, el almacenamiento, etc. se eliminan prácticamente, lo que se traduce en una mejora del uso de la energía y los recursos.
Reparación y mantenimiento
1. Reciclaje, verde y bajo en carbono. La fabricación aditiva puede realizar la reutilización de piezas descartadas a través de la tecnología de fresado y realizar el desarrollo de la industria de fabricación de aviación en la dirección de una economía circular. Por ejemplo, la idea técnica de MolyWorks en los Estados Unidos es convertir los desechos de impresión de metal en polvo de alta calidad. Al mismo tiempo, la empresa ha propuesto el modelo de desarrollo de negocios "Mobile Foundry", es decir, los desechos metálicos se digieren y se convierten en polvo de alta calidad en el acto.
3. Reparación parcial para evitar el desguace de piezas. Según las características de fabricación capa por capa de la fabricación aditiva, solo la parte dañada se considera un sustrato especial, y la forma de la parte se puede restaurar mediante la formación tridimensional con láser en la parte dañada, y el rendimiento puede cumplir los requisitos de uso. Se realiza un ciclo virtuoso bajo en carbono del proceso de fabricación de piezas, ahorrando la energía consumida en la producción de nuevos materiales y piezas. Por ejemplo, para las piezas del disco de la turbina, cuando se daña un álabe en el disco, solo es necesario usar tecnología de fabricación aditiva para reparar el álabe dañado para restaurar la función del disco y evitar el desguace de todo el disco de la turbina.
3. Mejore el rendimiento de las piezas y aumente la vida útil. Al optimizar la estructura de las piezas, la tensión de las piezas se puede distribuir de la manera más razonable, reduciendo el riesgo de grietas por fatiga, aumentando así la vida útil y reduciendo la huella de carbono. Por ejemplo, el tren de aterrizaje fabricado con tecnología 3D en el caza estadounidense F16 no solo cumple con el estándar de uso, sino que también tiene una vida útil promedio de 2,5 veces la del original.
Sugerencias para direcciones futuras
Con el fin de mejorar aún más la capacidad de la fabricación aditiva para lograr la neutralidad de carbono en la industria de la aviación, se proponen las siguientes direcciones de desarrollo.
1. Optimización de la microestructura del material. Se establece una base de datos profesional a través del genoma del material para realizar una optimización inteligente de la selección de materiales. Al establecer la relación intrínseca entre composición, proceso, microestructura y desempeño, se diseña la microestructura que cumple con los requisitos de neutralidad de carbono de acuerdo con las propiedades del material.
2. Optimización topológica estructural y multidisciplinar. Introduzca el diseño de volumen basado en múltiples físicas, integre digitalmente características de múltiples escalas y materiales de múltiples tipos, mantenga las propiedades mecánicas necesarias y logre la fusión de funciones estructurales para reducir el consumo de materiales y reducir el peso de los componentes.
3. La combinación de inteligencia artificial y tecnología de gemelos de datos. Integrar equipos o tecnologías avanzadas como monitoreo de procesos, percepción de información, aprendizaje automático, inteligencia artificial, bases de datos, etc. Integrar Internet industrial en un gemelo digital de fabricación aditiva, para que los datos y modelos puedan compartirse y analizarse a través de plataformas en la nube, y el Se puede mejorar el ecosistema digital aditivo. La fabricación aditiva puede desempeñar un papel clave en la reducción de carbono en todos los eslabones de la fabricación de piezas de aviones.