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3D打印將如何永久改變航空業?

行業資訊 | 2020-07-07 59

編者按:幾年前3D打印就很流行了,但是人們生活中似乎還沒有大規模的應用?其實不然,3D打印技術已經潛移默化地滲透進了航空領域,在你看見或者看不見的地方,它早已發揮了重大的作用。本文譯自Medium,作者 Hugh R. McArthur,原標題為“How 3D-printing can, and cannot, change aviation forever”。


大約2年前,GE航空公司的第3萬個3D打印噴氣式燃油噴嘴成功交付,他們為此大肆慶祝了一番。


當時,3D打印和增材制造(AM)技術都是熱門話題。如今,更多火爆的新生名詞,如區塊鏈,ba-dum-tss……已經取代了3D打印這樣曾經紅極一時的科技媒體寵兒。

不過除了某些特定的用途之外,3D打印技術的影響如今仍然是有限的,而且往往只限于咨詢公司制造昂貴的客戶平臺使用。今天我想提醒大家的是,利用液態金屬來制造零件——ok,也許不是真的?——還是很酷的。本文就來探討3D打印技術如何徹底改變航空業供應鏈的問題。

先明確定義

供應鏈通常來說并不是什么令人激動的話題,對于有些人來說,光是“物流”二字就足以讓人頭大了。這就是為什么我堅持認為,要使我們接下來的探索有意義,我們必須從明確定義開始。請對我有耐心一點,至少這意味著事情不會變得更糟了吧?我希望如此。



上面的圖表雖然已經被大大簡化了,但它勾勒出了目前航空領域的一般供應鏈是什么樣的。航空業的供應商既包括制造小型零部件的原始設備制造商(OEM),也包括類似制造勞斯萊斯發動機這樣的大型零部件供應商。波音、空客等飛機制造商緊隨其后。供應鏈的下游是“客戶”,航空公司和航運公司,如英國航空和聯邦快遞。這些 “客戶”當然也有自己的客戶,就是坐飛機出行的乘客和有空運需求的顧客。保養維護、維修和大修(MRO)公司通過為飛機運營商提供基本服務,完善了供應鏈。MRO公司對于航空業來說是如此的重要,以至于實際上,MRO公司才是最有可能通過增材制造技術的廣泛應用獲得巨大收益的企業。不過,關于MRO的討論以及它們如何革新的問題,可能更多是技術層面的,過于晦澀,因此我們這里不再贅述。

減少碳排放

根據眾多變量計算,燃油成本可能占到飛機運營商運營成本的30-50%。這是一個問題,尤其是根據國際航空運輸局(IATA)在2018年的預測顯示,未來十年航空燃油價格將經歷持續的、指數級的增長。航空公司運營成本的提高,也意味著轉嫁到我們這些消費者身上的機票價格提高。

幸運的是,3D打印技術固有的特性,可以幫助航空業提升燃油利用效率。首先,3D打印技術能夠整體制造中大型部件,如飛機艙門等,而不需要將較小的部件用螺栓焊接在一起(傳統制造方式)。由于使用了較少的冗余材料,就可以制造出更輕、更薄的零件,而不損害結構的完整性。

大型專業軟件和模型供應商Autodesk最近做了一個概念驗證,展示了增材制造的威力。通過融合傳統的鑄造和3D打印技術,Autodesk能夠制造出一個經濟艙座椅框架原型,其重量平均比傳統的同類產品輕56%。如果空客A380配備上這種座椅,每年可以為每架飛機合計節省63噸燃油,這也將減少多達190.1噸的同期碳排放量。直白地說,相當于平均每年約12萬輛汽車的碳排放量。而這一切僅需更換幾個飛機座椅就可以實現。

△Autodesk 3D打印生產的經濟艙座椅,預計可幫助節省燃油(圖片來源:Autodesk via 3dprinting industry.com)

但是這還不是全部。

還記得本文開頭提到的GE的3D打印噴氣式燃油噴嘴嗎?他們并不僅僅是在慶祝這個零件的利潤提高了多少。事實上,這種噴嘴制造成功標志著航空技術的突破。

與汽車發動機一樣,噴氣式發動機的燃燒完全性會極大地影響發動機的效率。目前,提高燃燒完全性的方法之一就是在燃燒室中更均勻地分配燃油。燃油分配正是前面提到的燃油噴嘴的工作。3D打印的LEAP噴嘴不僅重量減輕了25%,耐用性提高了5倍,而且還具備高度復雜的流道,使燃油噴射到燃燒室中的效率極高。3D打印噴嘴的效果,以及其它設計上的改進,使得LEAP發動機的燃油效率比它的前代產品提高了15%。

令人興奮的是,持續的增材制造實驗和實施應用將產生許多有益的結果。燃料成本、碳排放量、整體出行價格的上漲,都可以通過增材制造技術得到部分地遏制。而且,還有更多的好處。

有些供應商日子會不好過了


制造所有的飛機零件都必須首先進行概念化和原型設計,而增材制造可能會使這些過程發生重大轉變。


傳統的金屬制造方法包括金屬成型、鑄造、機械加工和焊接,這些制造過程都需要大量的時間、專業設備和技術能力。此外,要找出一個最佳的生產方法,還需要時間來琢磨。有一個現成的例子,GE公司的LEAP發動機燃油噴嘴在開發階段由于幾何形狀的復雜性,8次澆注都沒有成功。


很多時候,在試圖構建新的設計時,制造商往往需要等待現有的供應商來解決生產能力上的限制。在其它時候,他們將不得不尋找具有生產創新零件所需能力的全新供應商。因此,從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長時間。增材制造將有可能在很大程度上顛覆這種原來的設計和原型制作過程。


從根本上說,增材制造是依靠增加材料的層數來生產出最終產品,而不是取走材料。這意味著可以完全避免耗時的工程上的挑戰,例如如何準確地切分金屬板,然后重新組合以形成一種新的機翼襟翼設計。此外,增材制造操作也不需要很高深的技術。這使得制造測試用的原型零件既可以完全在公司內部進行,也可以外包給少數AM供應商。這會產生兩大影響:


△增材制造是如何促進新零件設計的原型開發過程——以塑料零件為例

首先,從長遠來看,某些飛機零部件制造商可能會遭受損失。增材制造技術使得通常分散在多家供應商的傳統制造能力,可以整合到具備一臺3D打印機的小型團隊中。舉個例子,2017年,GE公司做了一個實驗,打印了一架舊直升機的發動機。他們發現,只需6名工程師和一臺3D打印機,就可以進行原型制作,完全可以取代傳統制造方式所需的10-15家以上的供應商。

其次,雖然使用增材制造技術進行量產往往成本更高,但如果不需要聘請多家供應商,將大大減少測試新設計的交付時間。有一個具有里程碑意義的例子——波音公司僅用30個小時就打印出了一個17.5英尺長、5.5英尺寬、1.5英尺高的機翼裝飾和鉆孔工具。這比“通常的”制作過程耗時少得多——本來原型制作要花費更長的時間——整整3個月。大大節省設計和實驗的時間是增材制造技術帶來的一個明顯的好處,盡管對零部件供應商來說相對不利。


任何事情都有它的局限性

人們可能會認為,縮短設計交付時間也可以縮短產品上市時間。人們還可以斷言,3D打印技術在航空領域的影響可能會導致競爭更加激烈。那么綜合來看,產品的生命周期將會縮短。但是這是不可能的,幸與不幸其實取決于每個人對事物的看法。

商用飛機需要巨大的資本投入。因此,運營商總是希望在更換資產之前產生足夠的回報,以證明初始成本的合理性。此外,為了制造每一種新型號的飛機,各個國家和地區都投入了巨大的工廠空間、勞動力和專業設備等資源。通常情況下,這些資源不容易轉換為其他替代品,早早關閉每條昂貴的生產線也是完全不可能。

然而,生產技術的不連續性,往往具有鼓勵生產技術進一步創新的效果。在玻璃制造行業中,Lubbers機、Colburn機和浮法玻璃的出現莫不如此。因此,3D打印技術所產生的成果可能是由實驗興趣和能力的提高所驅動的創新。

飛機上的創新應用

第一個乘客可以看到的3D打印飛機零件出現在2018年,是A320沿頭頂艙安裝的隔板。同樣,一個直接的好處是提升了燃油利用效率,因為這些隔板的重量比傳統制造的同類產品輕了15%。然而更有趣的是這個案例對飛機定制的影響。


制造新的塑料飛機零件經常需要定制注塑模具裝置(開模),那是一個復雜的、花費昂貴的、漫長的過程。雖然注塑成型在大批量生產中具有很高的成本效益,但對于小批量生產來說,簡直就是在浪費錢。這是因為大部分生產的成本來自于原始模具的制作,在產量很少的情況下就沒有規模效應。在這種情況下,飛機制造商實際上不可能為買家提供高水平的定制服務,除非許多或所有買家都想要該功能(產品)。

然而,上面提到的隔板是作為芬蘭航空公司的特別定制部件加裝的,幾乎沒有產生額外的成本。增材制造繞過了注塑成型中必須的模具設計、制造和測試階段。這大大降低了小批量生產定制零件所需的時間和成本。盡管如此,我們應該了解,在大批量生產的情況下,增材制造的花費和時間成本也會超過傳統的成型方法。這是由于較高的單位可變成本,目前而言這是3D打印解決方案的普遍現象。

△圖解增材制造和注塑成型在不同產量下的成本比較


對于制造商和航空公司來說,這種生產動態變化將使加大定制化具有經濟上的可行性。波音公司表示,他們相信增材制造將能夠提供更多的客艙定制服務,尤其是在客艙家具、紋理和標識等領域。隨著時間的推移,密集型的定制形式也可能實現。航空公司可能會要求模塊化的座椅組件和獨特的頭頂隔間設計。在這一發展過程中,航空公司的乘客將是最大的受益者,他們將享有更豐富的體驗和更高的舒適度,因為航空公司們都試圖明確地標榜自家的與眾不同。

那么最終會怎樣呢?

最終,增材制造所帶來的諸多好處將流向供應鏈的下游。使用增材制造進行組件實驗的便利性會促進產品和服務的創新,但是具體的好處目前比較難以預測,總體上應該對乘客和航空公司都有利。更明確的是,重量減輕和燃油效率的直接提高無疑會全面降低出行運輸價格——當然是在其它條件不變的前提下。在航空運輸業競爭激烈的環境中,航空公司的運營成本會有所降低,而這些節省的成本將通過票價使乘客受惠。

雖然增材制造不太可能將我們的飛機變成無視重力的UFO,但我們當然可以期待在不久的將來,乘飛機出行能享有更大的舒適度、更多的創新設計和更低的價格。這些變化將逐步而穩定地發生,不知不覺中,航空運輸業肯定會變得大不相同。


來源:36氪,譯者:張茉茉
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