“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，盤點了復合材料、增材制造在國產(chǎn)軍民機上的應用情況。

那么，隨著它們的應用比例越來越高，體現(xiàn)在“生產(chǎn)端”便是引入更多的自動化設備。以復材的批量生產(chǎn)為例，隨著碳纖維復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)如復材零部件的轉運、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)中引入的自動化設備越來越多，以提高效率、降低人工作業(yè)負擔，也更好地保證了產(chǎn)品質量的穩(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飛機骨架上……而今天，航空復材生產(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技術在裝配上的應用，利用人工外骨骼等設備來助力人工作業(yè)、降低作業(yè)強度，通過人機交互技術來充分發(fā)揮人工和機器人/自動化設備的各自優(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)字化在航空材料領域的應用，不單單是這些制造階段，上溯到前設計階段也是離不開“數(shù)字化”的助力與賦能。

設計人員可通過“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構設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，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學方法，是結構優(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、機器學習等近年新興數(shù)字技術相結合。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)字技術來幫助技術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)的結構設計方案。

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

比如在關乎一型航空產(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“一構型一檢”向著數(shù)字化工具之下的模擬和分析方法轉變。而隨著這條“數(shù)字化”必由之路的不斷延伸，它正在將設計、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)民機在復材、增材制造上的應用邁出了第一步，比如C919上復材應用比例達到了12%。

但數(shù)字的背后，另一個事實是這些復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，隨著航空復材應用比例的不斷提高，中國商飛在應用過程中積累了一定技術和經(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)品質量穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率。

不過，相較于國外航空復材上萬噸的年產(chǎn)量，我國航空復材產(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，與會相關專家都在強調，工藝性能、PCD文件（“材料生產(chǎn)過程控制文件”）是國產(chǎn)航空復材能否邁過工業(yè)化批產(chǎn)這一關的關鍵所在。否則就是質量穩(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、材料質量問題頻現(xiàn)，乃至是無法裝機應用。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”。

結合國內(nèi)咨詢機構發(fā)布的報告數(shù)據(jù)，風電葉片是我國碳纖維最大消費市場，其次是體育休閑領域。

可見，一款航空復材的成功，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，還要看當它的“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量穩(wěn)定，同時還兼顧了生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等。

航空復材如果在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)階段出現(xiàn)了“質量不穩(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。

“打造復合材料產(chǎn)業(yè)鏈”

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

這些材料既包括復材核心的T300級的碳纖維、T800級碳纖維、玻璃纖維等，也包括復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注的一個應用是LNG船的建造中。這個案例也說明了國產(chǎn)化航空復材之路上，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)——設備供應商，包括生產(chǎn)設備、鋪貼設備、成型設備、加工設備、檢測設備等。目前相關的關鍵性國產(chǎn)設備正經(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)設備供應商間的緊密協(xié)同、“雙向奔赴”、不斷迭代的過程。

展望未來，隨著國產(chǎn)設備的“蛻變”日臻完善，國產(chǎn)航空復材的產(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，也要直面當下在與業(yè)界領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材、增材制造上的應用，相較于波音、空客的不小差距，也包括技術領域與一流之間對標，在基礎理論、關鍵工藝技術、高端裝備、核心元器件、商用軟件和產(chǎn)業(yè)應用等多方面存在的差距與短板。

空客A350XWB不單單是在復材應用上先人一步（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，都需要大量的基礎研究、更進一步的科研來“掌握的它的缺陷，是必然要走的路?！薄霸霾闹圃觳荒芙鉀Q所有問題，找到適應它的問題。”……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的強大推動力。

不論是復材還是增材制造，都繞不開基礎研究，了解一款材料的性能特性（如組織與力學性能、靜力學、疲勞性能等）、所長、缺陷等，由此才它的應用場景。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用基礎研究進展的介紹。

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

當前航空復材的應用就面臨著減重效果不如預期明顯的“窘境”，這背后的一方面原因就是當前對復材認識得不夠透徹、選擇了偏保守穩(wěn)妥的設計。不過，這也說明未來隨著對航空復材認識加強、設計水平提高，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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