Nachdem Carbon Peaking und Carbon Neutrality erstmals 2021 in den Arbeitsbericht der chinesischen Regierung geschrieben wurden, ist das Thema Carbon Neutrality in den laufenden zwei Sessions erneut zu einem heißen Diskussionsthema geworden. Die globale Erwärmung hat zu zunehmenden Klimarisiken geführt, und das Erreichen der CO2-Neutralität ist die dringendste Mission in der heutigen Welt. Gemessen an der Gesamtmenge an CO2-Emissionen auf globaler Ebene ist die Luftfahrtindustrie eigentlich kein supergroßer Haushalt von CO2-Emissionen, aber definitiv ein „schwieriger Haushalt“ bei der Reduzierung von CO2-Emissionen. Angesichts der steigenden Anzahl von Flugzeugen ist es nach wie vor eine herausfordernde Aufgabe, verschiedene Möglichkeiten zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung kontinuierlich zu erforschen und zu verbessern, um das etablierte Ziel der CO2-Neutralität in der Luft- und Raumfahrtindustrie zu erreichen.
Additive Fertigung ermöglicht CO2-Neutralität über den gesamten Lebenszyklus in der Luftfahrtindustrie
Akademiker Lu Bingheng wies darauf hin: „In Zukunft wird Chinas Fertigungsindustrie in drei Teile geteilt werden: Material, Materialreduktion und Materialzugabe.“ Insbesondere im Luftfahrtbereich hat die additive Fertigung einzigartige Vorteile wie die Reduzierung des Gewichts von Flugzeugen, die Formung komplexer Teile und die Realisierung der Komponentenintegration, was sich als sehr wertvoll und breit gefächerte Anwendungsaussichten erwiesen hat. Die Teile des inländischen großen Passagierflugzeugs C919 verwenden additive Fertigungstechnologie, um die zentrale Flügellinie zu bearbeiten; der Boeing 787 Dreamliner besteht aus 30 Teilen, die durch additive Fertigungstechnologie hergestellt wurden; Das fortschrittliche Flugtriebwerk GE9X von GE besteht zu mehr als einem Drittel aus Komponenten. Es wird durch additive Fertigung hergestellt.
Wenn wir den gesamten Produktlebenszyklus von Luft- und Raumfahrtproduktdesign und -herstellung, Lufttransport, Produktwartung und Wartung aus einer Entwicklungsperspektive betrachten, bestimmen die Eigenschaften der additiven Fertigungstechnologie, dass sie erhebliche Vorteile gegenüber der traditionellen Fertigung in Bezug auf die CO2-Neutralität hat.
Design und Herstellung
1. Keine Notwendigkeit, die Form zu öffnen, schnelle Iteration. Der wichtigste Vorteil der additiven Fertigungstechnologie besteht darin, dass Teile beliebiger Form direkt aus Computergrafikdaten ohne Bearbeitung oder Form erzeugt werden können, was den iterativen Prozess erheblich verkürzt, den Produktentwicklungs- und Fertigungszyklus verkürzt und den Energieverbrauch erhöht Entwicklungsprozess. Der Verbrauch wird deutlich reduziert. Professor Wang Huaming von der Beihang-Universität sagte einmal, dass China jetzt die additive Fertigungstechnologie verwenden kann, um den Cockpit-Glasfensterrahmen des C919-Flugzeugs in nur 55 Tagen zu drucken, während ein europäisches Flugzeughersteller sagte, dass sie dasselbe für mindestens 2 Tage produzieren werden Jahre. Die Materialherstellungstechnologie verkürzt den Produktionszyklus erheblich und verbessert die Effizienz.
2. Nettoform, hohe Materialausnutzungsrate. Ein wichtiger Weg, um die additive Fertigung klimaneutral zu machen, besteht darin, weniger Material für jedes Teil, jede Komponente und jedes Produkt zu verwenden. Die additive Fertigung ist eine Nettoform, die den Abfall, der beim Schneid-, Fräs- und Schleifprozess der traditionellen Fertigung entsteht, erheblich reduziert und die Materialausnutzungsrate des Endprodukts erheblich verbessert. Darüber hinaus kann durch Topologieoptimierung, Ausbildung von Gitterstrukturen, Gitterstrukturen etc. auch der Zweck der Materialeinsparung erreicht werden.
3. Integration der funktionalen Struktur, Reduzierung der Verarbeitungs- und Montageverfahren. Die additive Technologie erfordert keine herkömmlichen Werkzeuge und Vorrichtungen und mehrere Verarbeitungsverfahren und kann schnell und präzise Teile beliebiger komplexer Form auf einem Gerät herstellen, wodurch die Integration von Teilfunktionen und -strukturen realisiert und Verarbeitungsverfahren und Montage stark reduziert werden. den Prozess, um das kohlenstoffarme Ziel des Herstellungsprozesses zu erreichen.
AIr-Fracht
1. Reduzieren Sie das Gewicht und den Kraftstoffverbrauch. Gewichtsreduzierung ist das ewige Thema der Luftfahrtausrüstung, und eine Gewichtsreduzierung um 5 Prozent kann 20 Prozent des Kraftstoffverbrauchs einsparen. Die additive Fertigung kann den Energieverbrauch während des Transports reduzieren, indem sie das Gewicht von Flugzeugkomponenten reduziert.
2. Verbessern Sie die Verbrennungseffizienz des Motors und reduzieren Sie den Kraftstoffverbrauch. Im Inneren des Motors vervollständigt die additive Fertigungstechnologie die Herstellung der Brennkammer und vieler struktureller Elemente, wodurch der Motor einfacher, leichter und kompakter wird, wodurch bis zu 15 Prozent Kraftstoff eingespart werden können, indem die Kraftstoffeffizienz allein durch das Design verbessert wird.
3. Drucken Sie nach Bedarf, wodurch Energieverschwendung reduziert wird. Vor-Ort- und Print-on-Demand-Fertigung reduziert die Gesamtenergieverschwendung und verringert den CO2-Fußabdruck. Umweltkosten wie Montage, Transport, Logistik, Lagerung usw. entfallen praktisch, was zu einer verbesserten Energie- und Ressourcennutzung führt.
Reparatur und Wartung
1. Recycling, grün und kohlenstoffarm. Die additive Fertigung kann die Wiederverwendung von ausrangierten Teilen durch Frästechnologie realisieren und die Entwicklung der Luftfahrtindustrie in Richtung einer Kreislaufwirtschaft realisieren. Die technische Idee von MolyWorks in den Vereinigten Staaten ist beispielsweise, metallische Druckabfälle in hochwertiges Pulver umzuwandeln. Gleichzeitig hat das Unternehmen das Geschäftsentwicklungsmodell „Mobile Foundry“ vorgeschlagen, das heißt, die Metallabfälle werden vor Ort aufgeschlossen und in hochwertiges Pulver umgewandelt.
3. Teilweise Reparatur, um die Verschrottung von Teilen zu vermeiden. Basierend auf den Schicht-für-Schicht-Fertigungsmerkmalen der additiven Fertigung wird nur das beschädigte Teil als spezielles Substrat betrachtet, und die Form des Teils kann durch dreidimensionales Laserformen auf dem beschädigten Teil wiederhergestellt werden, und die Leistung kann erfüllt werden die Nutzungsanforderungen. Ein positiver kohlenstoffarmer Kreislauf des Teileherstellungsprozesses wird verwirklicht, wodurch die Energie eingespart wird, die bei der Herstellung neuer Materialien und Teile verbraucht wird. Wenn zum Beispiel bei Turbinenscheibenteilen eine Schaufel auf der Scheibe beschädigt ist, ist es nur erforderlich, additive Fertigungstechnologie einzusetzen, um die beschädigte Schaufel zu reparieren, um die Funktion der Scheibe wiederherzustellen und das Verschrotten der gesamten Turbinenscheibe zu vermeiden.
3. Verbessern Sie die Leistung von Teilen und erhöhen Sie die Lebensdauer. Durch die Optimierung der Struktur der Teile kann die Belastung der Teile auf die vernünftigste Weise verteilt werden, wodurch das Risiko von Ermüdungsrissen verringert wird, wodurch die Lebensdauer erhöht und der CO2-Fußabdruck verringert wird. So erfüllt beispielsweise das in 3D-Technologie hergestellte Fahrwerk des amerikanischen Jagdflugzeugs F16 nicht nur den Gebrauchsstandard, sondern hat auch eine durchschnittlich 2,5-fache Lebensdauer gegenüber dem Original.
Vorschläge für zukünftige Richtungen
Um die Fähigkeit der additiven Fertigung zur Erreichung der Klimaneutralität in der Luftfahrtindustrie weiter zu verbessern, werden folgende Entwicklungsrichtungen vorgeschlagen.
1. Optimierung der Materialmikrostruktur. Durch das Materialgenom wird eine professionelle Datenbank aufgebaut, um eine intelligente Optimierung der Materialauswahl zu realisieren. Durch die Herstellung der intrinsischen Beziehung zwischen Zusammensetzung, Prozess, Mikrostruktur und Leistung wird die Mikrostruktur, die die Anforderungen an die Kohlenstoffneutralität erfüllt, entsprechend den Eigenschaften des Materials entworfen.
2. Strukturelle und multidisziplinäre Topologieoptimierung. Führen Sie ein Multi-Physik-gesteuertes Volumendesign ein, integrieren Sie Multi-Scale-Features und Multi-Type-Materialien digital, behalten Sie die erforderlichen mechanischen Eigenschaften bei und erreichen Sie eine Struktur-Funktions-Fusion, um den Materialverbrauch und das Gewicht von Komponenten zu reduzieren.
3. Die Kombination aus künstlicher Intelligenz und Datenzwillingstechnologie. Integrieren Sie fortschrittliche Geräte oder Technologien wie Prozessüberwachung, Informationswahrnehmung, maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz, Datenbanken usw. Integrieren Sie das industrielle Internet in einen digitalen Zwilling der additiven Fertigung, sodass Daten und Modelle über Cloud-Plattformen geteilt und analysiert werden können additives digitales Ökosystem verbessert werden kann. Die additive Fertigung kann eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung von Kohlenstoff in jedem Glied der Herstellung von Flugzeugteilen spielen.