“自動化”進程正在加速

【資料圖】

上周的早讀中，我們集合航材論壇專家的報告發(fā)言，盤點了復(fù)合材料、增材制造在國產(chǎn)軍民機上的應(yīng)用情況。

那么，隨著它們的應(yīng)用比例越來越高，體現(xiàn)在“生產(chǎn)端”便是引入更多的自動化設(shè)備。以復(fù)材的批量生產(chǎn)為例，隨著碳纖維復(fù)合材料零部件的尺寸、厚度的不斷增加，這就要求工藝上對鋪貼的精度越來越高，而且還是不同的方向鋪貼，那么為了確保質(zhì)量、減少人為因素，從手動鋪帶到自動鋪帶/鋪絲就成了行業(yè)的必然趨勢。

同樣，以此為起點，后續(xù)如復(fù)材零部件的轉(zhuǎn)運、加工、檢測等工序也在向著自動化邁進。

飛機零部件的尺寸越來越大，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中引入的自動化設(shè)備越來越多，以提高效率、降低人工作業(yè)負擔(dān)，也更好地保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

回顧航空業(yè)的初始發(fā)展階段，制造環(huán)節(jié)中，飛機制造工廠曾招募裁縫女工，將棉布蒙皮縫在木質(zhì)飛機骨架上……而今天，航空復(fù)材生產(chǎn)過程中，這樣的自動鋪絲、鋪帶環(huán)節(jié)，也有著昔日“紡織”的既視感。

“數(shù)字化”是行業(yè)趨勢

本屆航材論壇上，來自波音、西門子等企業(yè)的專家在分享介紹中，重點關(guān)注了生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的自動化、數(shù)字化。

比如增強現(xiàn)實AR技術(shù)在裝配上的應(yīng)用，利用人工外骨骼等設(shè)備來助力人工作業(yè)、降低作業(yè)強度，通過人機交互技術(shù)來充分發(fā)揮人工和機器人/自動化設(shè)備的各自優(yōu)勢，通過自動化系統(tǒng)的仿真來有助于提高生產(chǎn)效率、降低系統(tǒng)的故障率，通過數(shù)字化工具搭建生產(chǎn)標(biāo)準流程，來對流程仿真、模擬、驗證、量化分析并得出優(yōu)化建議等。

數(shù)字化在航空材料領(lǐng)域的應(yīng)用，不單單是這些制造階段，上溯到前設(shè)計階段也是離不開“數(shù)字化”的助力與賦能。

設(shè)計人員可通過“數(shù)字化”（比如熱門的數(shù)字孿生、數(shù)字線程）、數(shù)字化工具、有限元分析軟件、輔助設(shè)計軟件、工業(yè)軟件來加強對新材料、新工藝的了解，將其優(yōu)勢與缺陷等方面更全方位地展現(xiàn)，來“拓撲優(yōu)化”，進而提高開發(fā)速度、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，助力工程師更高效地找到結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料性能上的最優(yōu)解。

“拓撲優(yōu)化”也是航材論壇上的高頻出現(xiàn)的技術(shù)名詞。拓撲優(yōu)化是一種根據(jù)給定的負載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。

向著“數(shù)字化”的邁進，更進一步的還包括與大數(shù)據(jù)、AI人工智能、機器學(xué)習(xí)等近年新興數(shù)字技術(shù)相結(jié)合。比如面對模擬仿真工作、試驗過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)字技術(shù)來幫助技術(shù)人員更高效地完成對數(shù)據(jù)的整理、分析等工作。

通過數(shù)字工具來對增材制造部件進行拓撲優(yōu)化，可找到重量輕、性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

不僅如此，這場席卷航空制造業(yè)的“數(shù)字化”正從設(shè)計、制造等階段，不斷外延拓展。

比如在關(guān)乎一型航空產(chǎn)品成敗的適航審定階段，目前國外在適航審定思路上就正從傳統(tǒng)的“一構(gòu)型一檢”向著數(shù)字化工具之下的模擬和分析方法轉(zhuǎn)變。而隨著這條“數(shù)字化”必由之路的不斷延伸，它正在將設(shè)計、制造、裝配、測試、適航認證、維護、改型升級等全鏈路環(huán)節(jié)逐步打通、融合、“一體化”。

國產(chǎn)航空復(fù)材的“工業(yè)化時代”

在上周的早讀中，我們已經(jīng)通過論壇上專家的報告發(fā)言了解到國產(chǎn)民機在復(fù)材、增材制造上的應(yīng)用邁出了第一步，比如C919上復(fù)材應(yīng)用比例達到了12%。

但數(shù)字的背后，另一個事實是這些復(fù)材的原材料都還是來自國外。所以，在未來的CR929上，中國商飛表示在使用進口原材料的同時也將使用國產(chǎn)的，“將國產(chǎn)材料納入到了整個研制過程中”。

從ARJ21到C919，隨著航空復(fù)材應(yīng)用比例的不斷提高，中國商飛在應(yīng)用過程中積累了一定技術(shù)和經(jīng)驗，形成了工藝規(guī)范、制造工藝上的不斷提升。升級，批產(chǎn)，過程控制手段，保證批產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率。

不過，相較于國外航空復(fù)材上萬噸的年產(chǎn)量，我國航空復(fù)材產(chǎn)量規(guī)模偏小，尚未進入大批量的工業(yè)化生產(chǎn)階段。對此，與會相關(guān)專家都在強調(diào)，工藝性能、PCD文件（“材料生產(chǎn)過程控制文件”）是國產(chǎn)航空復(fù)材能否邁過工業(yè)化批產(chǎn)這一關(guān)的關(guān)鍵所在。否則就是質(zhì)量穩(wěn)定性不佳（比如表現(xiàn)為，不同批次材料成分或性能波動較大）、報廢率高、生產(chǎn)效率不高、加工成本上漲、材料質(zhì)量問題頻現(xiàn)，乃至是無法裝機應(yīng)用。比如就有專家指出“一些國產(chǎn)航空材料獲得了批準，但PCD準備上不夠或是推廣的不好，產(chǎn)品的穩(wěn)定性較差”。

結(jié)合國內(nèi)咨詢機構(gòu)發(fā)布的報告數(shù)據(jù)，風(fēng)電葉片是我國碳纖維最大消費市場，其次是體育休閑領(lǐng)域。

可見，一款航空復(fù)材的成功，不單單是在實驗室階段有著出色的性能參數(shù)和獲得認證批復(fù)，還要看當(dāng)它的“工藝性能”，它在進入到批量工業(yè)化生產(chǎn)階段后能否有著各批次的質(zhì)量穩(wěn)定，同時還兼顧了生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等。

航空復(fù)材如果在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)階段出現(xiàn)了“質(zhì)量不穩(wěn)定”，一方面是打擊了業(yè)界對國產(chǎn)航空材料的信心，另一方面的連鎖反應(yīng)之一是更多頻次或項目的檢驗量，變相增加了國產(chǎn)航空材料的成本，自然是削弱了與進口航材的相對價格優(yōu)勢。

“打造復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈”

對于我國航空制造業(yè)來說，在航材領(lǐng)域的目標(biāo)不單單是國產(chǎn)航空復(fù)材的大批量工業(yè)化生產(chǎn)，還在于“打造復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈”，培育形成全產(chǎn)業(yè)鏈上下游的核心供應(yīng)商，包含材料的供應(yīng)商、原材料的供應(yīng)商和工藝材料的供應(yīng)商等，它們的材料覆蓋主要材料規(guī)格，質(zhì)量持續(xù)達標(biāo)穩(wěn)定、嚴格遵循認證標(biāo)準、具備國際競爭力。

這些材料既包括復(fù)材核心的T300級的碳纖維、T800級碳纖維、玻璃纖維等，也包括復(fù)材制造過程中所需的工藝材料、輔助材料等。

論壇上，來自寶武特鋼的專家介紹了，復(fù)材生產(chǎn)中不可或缺的“模具”原材料殷瓦合金，其有著低膨脹特性、時效穩(wěn)定性、真空穩(wěn)定性等特點，而殷瓦合金備受媒體關(guān)注的一個應(yīng)用是LNG船的建造中。這個案例也說明了國產(chǎn)化航空復(fù)材之路上，需要全產(chǎn)業(yè)的協(xié)同、齊同并進。

還有這條產(chǎn)業(yè)鏈中尤為重要的一環(huán)——設(shè)備供應(yīng)商，包括生產(chǎn)設(shè)備、鋪貼設(shè)備、成型設(shè)備、加工設(shè)備、檢測設(shè)備等。目前相關(guān)的關(guān)鍵性國產(chǎn)設(shè)備正經(jīng)歷從解決有無到好用與否的蛻變，而這也是制造商與國產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商間的緊密協(xié)同、“雙向奔赴”、不斷迭代的過程。

展望未來，隨著國產(chǎn)設(shè)備的“蛻變”日臻完善，國產(chǎn)航空復(fù)材的產(chǎn)量不斷提升并更大范圍地使用，將給國產(chǎn)軍民機帶來性能與經(jīng)濟性上的優(yōu)勢。

道阻且長，行則將至

但這樣的“國產(chǎn)化”之路又注定是絕非坦途，要直面前方坎坷，沖破技術(shù)迷霧，不斷攻克一個個難題和挑戰(zhàn)，不斷向前不斷取得新的突破，也要直面當(dāng)下在與業(yè)界領(lǐng)跑者的對比中客觀存在的差距，注定要有一段不短的追趕。

這既包括我國民機在復(fù)材、增材制造上的應(yīng)用，相較于波音、空客的不小差距，也包括技術(shù)領(lǐng)域與一流之間對標(biāo)，在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵工藝技術(shù)、高端裝備、核心元器件、商用軟件和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等多方面存在的差距與短板。

空客A350XWB不單單是在復(fù)材應(yīng)用上先人一步（達到53%），在增材制造件的使用上也是達到了超千個的領(lǐng)先水平。

而這樣的前路，又將是不斷超越自我的求索之路，不斷向前、不斷拓展邊界，不斷增強對材料的認識、認識它的特性與缺憾，不斷挖掘性能潛力，并梳理創(chuàng)立與之配套的一系列規(guī)范、準則、要求、標(biāo)準和體系等。

特別是相比于業(yè)界對鋁、鈦等傳統(tǒng)航空材料特性、工藝、缺陷等方面的相對全面了解，不論中外對復(fù)合材料、增材制造都還有著太多未知和迷霧，都需要大量的基礎(chǔ)研究、更進一步的科研來“掌握的它的缺陷，是必然要走的路。”“增材制造不能解決所有問題，找到適應(yīng)它的問題。”……由此才能最大限度地釋放出新一代航空材料、制造工藝對航空技術(shù)的強大推動力。

不論是復(fù)材還是增材制造，都繞不開基礎(chǔ)研究，了解一款材料的性能特性（如組織與力學(xué)性能、靜力學(xué)、疲勞性能等）、所長、缺陷等，由此才它的應(yīng)用場景。圖為論壇上來自中國航發(fā)專家的對航空材料增材制造應(yīng)用基礎(chǔ)研究進展的介紹。

當(dāng)前航空復(fù)材的應(yīng)用就面臨著減重效果不如預(yù)期明顯的“窘境”，這背后的一方面原因就是當(dāng)前對復(fù)材認識得不夠透徹、選擇了偏保守穩(wěn)妥的設(shè)計。不過，這也說明未來隨著對航空復(fù)材認識加強、設(shè)計水平提高，其有著很大的“減重”潛力可挖掘。

當(dāng)前航空復(fù)材的應(yīng)用就面臨著減重效果不如預(yù)期明顯的“窘境”，這背后的一方面原因就是當(dāng)前對復(fù)材認識得不夠透徹、選擇了偏保守穩(wěn)妥的設(shè)計。不過，這也說明未來隨著對航空復(fù)材認識加強、設(shè)計水平提高，其有著很大的“減重”潛力可挖掘。

放眼我國航空材料、航空制造技術(shù)的前路，是追趕、是超越、是求索、是創(chuàng)新，這是我國航空制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必由之路。前路雖“道阻且長”，但“道阻且長，行則將至；行而不輟，未來可期?！?/p>

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