「一周熱點」
3.18-3.25
在這裡
看全球航空
「自動化」進程正在加速
上周的早讀中，我們集合航材論壇專家的報告發言，盤點了復合材料、增材製造在國產軍民機上的應用情況。
那麼，隨著它們的應用比例越來越高，體現在「生產端」便是引入更多的自動化設備。以復材的批量生產為例，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，那麼為了確保質量、減少人為因素，從手動鋪帶到自動鋪帶/鋪絲就成了行業的必然趨勢。
同樣，以此為起點，後續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，生產環節中引入的自動化設備越來越多，以提高效率、降低人工作業負擔，也更好地保證了產品質量的穩定。
回顧航空業的初始發展階段，製造環節中，飛機製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，航空復材生產過程中，這樣的自動鋪絲、鋪帶環節，也有著昔日「紡織」的既視感。
「數字化」是行業趨勢
本屆航材論壇上，來自波音、西門子等企業的專家在分享介紹中，重點關注了生產製造環節的自動化、數字化。
比如增強現實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、降低作業強度，通過人機互動技術來充分發揮人工和機器人/自動化設備的各自優勢，通過自動化系統的仿真來有助於提高生產效率、降低系統的故障率，通過數字化工具搭建生產標準流程，來對流程仿真、模擬、驗證、量化分析並得出優化建議等。
數字化在航空材料領域的應用，不單單是這些製造階段，上溯到前設計階段也是離不開「數字化」的助力與賦能。
設計人員可通過「數字化」（比如熱門的數字孿生、數字線程）、數字化工具、有限元分析軟體、輔助設計軟體、工業軟體來加強對新材料、新工藝的了解，將其優勢與缺陷等方面更全方位地展現，來「拓撲優化」，進而提高開發速度、縮短開發周期、降低開發成本，助力工程師更高效地找到結構設計與材料性能上的最優解。
「拓撲優化」也是航材論壇上的高頻出現的技術名詞。拓撲優化是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，是結構優化的一種。
向著「數字化」的邁進，更進一步的還包括與大數據、AI人工智慧、機器學習等近年新興數位技術相結合。比如面對模擬仿真工作、試驗過程中產生的海量數據，通過這些數位技術來幫助技術人員更高效地完成對數據的整理、分析等工作。
通過數字工具來對增材製造部件進行拓撲優化，可找到重量輕、性能最優的結構設計方案。
不僅如此，這場席捲航空製造業的「數字化」正從設計、製造等階段，不斷外延拓展。
比如在關乎一型航空產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的「一構型一檢」向著數字化工具之下的模擬和分析方法轉變。而隨著這條「數字化」必由之路的不斷延伸，它正在將設計、製造、裝配、測試、適航認證、維護、改型升級等全鏈路環節逐步打通、融合、「一體化」。
國產航空復材的「工業化時代」
在上周的早讀中，我們已經通過論壇上專家的報告發言了解到國產民機在復材、增材製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%。
但數字的背後，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的，「將國產材料納入到了整個研製過程中」。
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驗，形成了工藝規範、製造工藝上的不斷提升。升級，批產，過程控制手段，保證批產產品質量穩定，產品合格率。
不過，相較於國外航空復材上萬噸的年產量，我國航空復材產量規模偏小，尚未進入大批量的工業化生產階段。對此，與會相關專家都在強調，工藝性能、PCD文件（「材料生產過程控制文件」）是國產航空復材能否邁過工業化批產這一關的關鍵所在。否則就是質量穩定性不佳（比如表現為，不同批次材料成分或性能波動較大）、報廢率高、生產效率不高、加工成本上漲、材料質量問題頻現，乃至是無法裝機應用。 比如就有專家指出「一些國產航空材料獲得了批准，但PCD準備上不夠或是推廣的不好，產品的穩定性較差」。
結合國內諮詢機構發布的報告數據，風電葉片是我國碳纖維最大消費市場，其次是體育休閒領域。
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和獲得認證批覆，還要看當它的「工藝性能」，它在進入到批量工業化生產階段後能否有著各批次的質量穩定，同時還兼顧了生產效率、生產成本等。
航空復材如果在大規模工業化生產階段出現了「質量不穩定」，一方面是打擊了業界對國產航空材料的信心，另一方面的連鎖反應之一是更多頻次或項目的檢驗量，變相增加了國產航空材料的成本，自然是削弱了與進口航材的相對價格優勢。
「打造復合材料產業鏈」
對於我國航空製造業來說，在航材領域的目標不單單是國產航空復材的大批量工業化生產，還在於「打造復合材料產業鏈」，培育形成全產業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格，質量持續達標穩定、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，也包括復材製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、時效穩定性、真空穩定性等特點，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化航空復材之路上，需要全產業的協同、齊同並進。
還有這條產業鏈中尤為重要的一環——設備供應商，包括生產設備、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設備正經歷從解決有無到好用與否的蛻變，而這也是製造商與國產設備供應商間的緊密協同、「雙向奔赴」、不斷疊代的過程。
展望未來，隨著國產設備的「蛻變」日臻完善，國產航空復材的產量不斷提升並更大範圍地使用，將給國產軍民機帶來性能與經濟性上的優勢。
道阻且長，行則將至
但這樣的「國產化」之路又註定是絕非坦途，要直面前方坎坷，衝破技術迷霧，不斷攻克一個個難題和挑戰，不斷向前不斷取得新的突破，也要直面當下在與業界領跑者的對比中客觀存在的差距，註定要有一段不短的追趕。
這既包括我國民機在復材、增材製造上的應用，相較於波音、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、商用軟體和產業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%），在增材製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，並梳理創立與之配套的一系列規範、準則、要求、標準和體系等。
特別是相比於業界對鋁、鈦等傳統航空材料特性、工藝、缺陷等方面的相對全面了解，不論中外對復合材料、增材製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。」「增材製造不能解決所有問題，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、製造工藝對航空技術的強大推動力。
不論是復材還是增材製造，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專家的對航空材料增材製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」，這背後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、航空製造技術的前路，是追趕、是超越、是求索、是創新，這是我國航空製造業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。」
排版：郭雯斐
策劃 | 文案：鄭宇航
編審 | 監製：武晨、王蘭
看航空融媒體工作室出品
點擊卡片即可獲取全文
早讀 | 專家「庖丁解牛」：復材與增材製造在國產飛機上的應用