Depois que o pico de carbono e a neutralidade de carbono foram escritos pela primeira vez no relatório de trabalho do governo chinês em 2021, a neutralidade de carbono nas duas sessões em andamento mais uma vez se tornou um tema quente de discussão. O aquecimento global levou ao aumento dos riscos climáticos, e alcançar a neutralidade de carbono é a missão mais urgente no mundo de hoje. A julgar pela quantidade total de emissões de carbono em escala global, a indústria da aviação não é realmente uma família super grande de emissões de carbono, mas é definitivamente uma "casa difícil" na redução de emissões de carbono. Com o aumento do número de aeronaves, ainda é uma tarefa desafiadora explorar e melhorar continuamente vários meios de economia de energia e redução de emissões para atingir a meta estabelecida de neutralidade de carbono na indústria aeroespacial.
A manufatura aditiva permite a neutralidade de carbono do ciclo de vida na indústria da aviação
O acadêmico Lu Bingheng destacou: "No futuro, a indústria manufatureira da China será dividida em três partes: material, redução de material e adição de material". Especialmente no campo da aviação, a manufatura aditiva tem vantagens únicas, como reduzir o peso das aeronaves, formar peças complexas e realizar a integração de componentes, o que mostrou grande valor e amplas perspectivas de aplicação. As peças do grande avião de passageiros doméstico C919 usam tecnologia de manufatura aditiva para processar a linha central da asa; o Boeing 787 Dreamliner possui 30 peças fabricadas com tecnologia de manufatura aditiva; O motor aeronáutico avançado GE9X da GE tem mais de um terço dos componentes. É feito por manufatura aditiva.
Quando consideramos todo o ciclo de vida do produto de design e fabricação de produtos aeroespaciais, transporte aéreo, manutenção de produtos e manutenção de uma perspectiva de desenvolvimento, as características da tecnologia de manufatura aditiva determinam que ela tenha vantagens consideráveis sobre a fabricação tradicional em termos de neutralidade de carbono.
Projeto e fabricação
1. Não há necessidade de abrir o molde, iteração rápida. A vantagem mais proeminente da tecnologia de manufatura aditiva é que peças de qualquer formato podem ser geradas diretamente a partir de dados gráficos de computador sem usinagem ou qualquer molde, o que reduzirá bastante o processo iterativo, encurtará o desenvolvimento do produto e o ciclo de fabricação e aumentará a energia no processo de desenvolvimento. O consumo é significativamente reduzido. O professor Wang Huaming, da Universidade de Beihang, disse uma vez que a China agora pode usar a tecnologia de manufatura aditiva para imprimir a moldura da janela de vidro do cockpit da aeronave C919 em apenas 55 dias, enquanto uma empresa europeia de fabricação de aeronaves disse que produzirá a mesma coisa por pelo menos 2 anos. A tecnologia de fabricação de materiais reduz bastante o ciclo de produção e melhora a eficiência.
2. Forma líquida, alta taxa de utilização do material. Uma maneira importante de a manufatura aditiva ser neutra em carbono é usar menos material para cada peça, componente e produto. A manufatura aditiva é uma forma líquida, que reduz bastante os resíduos gerados no processo de corte, fresagem e moagem da fabricação tradicional, e a taxa de utilização do material do produto final é muito melhorada. Além disso, através da otimização da topologia, a formação de estruturas treliçadas, estruturas treliçadas, etc., também pode atingir o objetivo de economizar materiais.
3. Integração da estrutura funcional, reduzindo os processos de processamento e montagem. A tecnologia aditiva não requer ferramentas e acessórios tradicionais e vários procedimentos de processamento e pode fabricar peças de qualquer forma complexa com rapidez e precisão em um dispositivo, realizando assim a integração de funções e estruturas de peças e reduzindo bastante os procedimentos de processamento e montagem. o processo para atingir a meta de baixo carbono do processo de fabricação.
Aseu frete
1. Reduza o peso e o consumo de combustível. Para equipamentos de aviação, a redução de peso é seu tema eterno, e uma redução de peso de 5% pode economizar 20% do consumo de combustível. A manufatura aditiva pode reduzir o consumo de energia durante o transporte, reduzindo o peso dos componentes da aeronave.
2. Melhore a eficiência de combustão do motor e reduza o consumo de combustível. Dentro do motor, a tecnologia de manufatura aditiva completa a fabricação da câmara de combustão e de muitos elementos estruturais, o que torna o motor mais simples, mais leve e mais compacto, o que permite economizar até 15% de combustível, melhorando a eficiência de combustível apenas pelo projeto.
3. Imprima sob demanda, reduzindo o desperdício de energia. A fabricação no local e impressão sob demanda reduz o desperdício geral de energia e reduz a pegada de carbono. Custos ambientais como montagem, transporte, logística, armazenamento, etc. são virtualmente eliminados, resultando em melhor uso de energia e recursos.
Reparo e manutenção
1. Reciclagem, verde e de baixo carbono. A manufatura aditiva pode realizar a reutilização de peças descartadas por meio da tecnologia de fresagem e realizar o desenvolvimento da indústria de fabricação de aviação na direção de uma economia circular. Por exemplo, a ideia técnica da MolyWorks nos Estados Unidos é converter resíduos de impressão de metal em pó de alta qualidade. Ao mesmo tempo, a empresa propôs o modelo de desenvolvimento de negócios "Mobile Foundry", ou seja, os resíduos metálicos são digeridos e convertidos em pó de alta qualidade no local.
3. Reparo parcial para evitar sucata de peças. Com base nas características de fabricação camada por camada da fabricação aditiva, apenas a parte danificada é considerada um substrato especial, e a forma da peça pode ser restaurada por formação tridimensional a laser na parte danificada, e o desempenho pode atender os requisitos de uso. Realiza-se um virtuoso ciclo de baixo carbono do processo de fabricação de peças, economizando a energia consumida na produção de novos materiais e peças. Por exemplo, para as peças do disco da turbina, quando uma pá do disco está danificada, basta usar a tecnologia de manufatura aditiva para reparar a pá danificada para restaurar a função do disco e evitar o sucateamento de todo o disco da turbina.
3. Melhore o desempenho das peças e aumente a vida útil. Ao otimizar a estrutura das peças, o estresse das peças pode ser distribuído da maneira mais razoável, reduzindo o risco de trincas por fadiga, aumentando assim a vida útil e reduzindo a pegada de carbono. Por exemplo, o trem de pouso feito com tecnologia 3D no caça americano F16 não apenas atende ao padrão de uso, mas também tem uma vida útil média de 2,5 vezes a do original.
Sugestões para direções futuras
A fim de melhorar ainda mais a capacidade da manufatura aditiva de alcançar a neutralidade de carbono na indústria da aviação, são propostas as seguintes direções de desenvolvimento.
1. Otimização da microestrutura do material. Um banco de dados profissional é estabelecido através do genoma do material para realizar a otimização inteligente da seleção de materiais. Ao estabelecer a relação intrínseca entre composição, processo, microestrutura e desempenho, a microestrutura que atende aos requisitos de neutralidade de carbono é projetada de acordo com as propriedades do material.
2. Otimização da topologia estrutural e multidisciplinar. Introduza o design de volume orientado por multifísica, integre digitalmente recursos de multiescala e materiais de vários tipos, mantenha as propriedades mecânicas necessárias e alcance a fusão de função estrutural para reduzir o consumo de material e reduzir o peso dos componentes.
3. A combinação de inteligência artificial e tecnologia de dados gêmeos. Integrar equipamentos ou tecnologias avançadas como monitoramento de processos, percepção de informações, aprendizado de máquina, inteligência artificial, bancos de dados, etc. ecossistema digital aditivo pode ser melhorado. A manufatura aditiva pode desempenhar um papel fundamental na redução de carbono em todos os elos da fabricação de peças de aeronaves.