未来飞机制造：材料与工艺的竞争伴随着管理挑战

　　【编者按】未来，围绕金属和复合材料部件的成形、加工与装配，飞机制造将朝着“大”、“精”、“省”的方向进一步发展，从而带来新的挑战。针对这些趋势和挑战，本文关注了未来飞机制造的6个热点主题，这些主题将是今后一段时间内飞机制造领域的发展重点，也将是航空制造业竞争力的集中体现。

　　白与黑的较量

　　波音787和空客A350客机在复合材料用量上的竞争一度是业界的焦点，也让人们认识到，碳纤维复合材料已经首次替代铝合金，成为未来双通道客机的首选材料。碳纤维复合材料这种黑色塑料似乎一夜之间横扫了其白色前辈——铝合金。

　　面对碳纤维复合材料咄咄逼人的攻势，以美铝公司为首的铝合金供应商也展开了反攻，针对复合材料的弱项开发更先进的铝合金材料。第三代铝锂合金就是这“白与黑的较量”中的重要筹码。新开发的2099型铝锂合金，比现有的7150型铝合金在对抗片状剥落腐蚀上要高出一大截。与碳纤维复合材料相比，铝锂合金材料不仅气动性好、防腐能力强、可回收，并且重量还要轻10%，制造、运行、维修成本要低30%，总体的风险更低，而且已经用到了波音787、空客A350和庞巴迪C系列飞机上。

　　与此同时，碳纤维复合材料制造商也在研究降低成本、提升质量的方法。非热压罐（OOA）成形一直是业界创新研究的重点，包括先进的常温固化树脂体系、自加热的制造工装，以及模压成形、微波固化和激光固化等方法。目前在非热压罐领域，已经取得了众多丰硕的成果，比如洛马制造出的先进全复合材料运输机（ACCA）、波音和洛马分别应用非热压罐成形的自动丝束铺放（AFP）工艺制造大型部件等。此外，为了解决复合材料切削和钻孔中的分层、速度慢和刀具磨损问题，洛马联合刀具供应商开发了化学气相沉积（CVD）金刚石涂层刀具，大大提升了加工效率和质量；洛马和波音还在积极破解复材-铝/钛金属板材钻孔的尺寸精度难题，并取得了积极效果。

　　在可预见的未来，碳纤维复合材料和先进铝/铝锂合金的竞争还会加剧，这对于飞机制造业来说是一个好消息，因为这个竞争将使得飞机机体结构在重量、成本、可靠性、维修性上有较大的提升和改进空间，并给带来他们更多的设计选择。

　　加法与减法

　　2012年，增材制造的火热引起了人们对于未来飞机制造到底应该使用“加法”还是“减法”的思考。相对于传统的去除材料的加工方法，增材制造可以大幅降低工装需求，减少材料消耗，缩短制造时间，它还可以成形常规方法无法实现的新颖零件和复杂结构，可能引起产品在设计和制造上的重大变革。

　　也正因为增材制造在产品设计和制造上的革命性潜质，使其能满足未来飞机制造对于结构件的整体化轻量化要求。波音在军民用的10个飞机平台上应用了200多个增材制造的零件，还拥有一套为增材制造项目量身定做的技术成熟度等级（TRL）指南；洛马P-175复合材料无人机的研制中，让碳纳米管和基体粉末在输送过程中由激光烧结成形机体结构是最大亮点。

　　增材制造技术的诱惑力无疑是极大的，然而目前它在飞机制造中还存在着诸多的挑战，在实体零件生产方面，其推广速度一直缓慢。美国防务分析研究所（IDA）认为技术和制造成熟度不足、缺乏人才和商业化环境、标准和规章制度不健全是三个主要原因，他们认为短期内，增材制造技术的发展应该在过程改进、速度提升、质量控制和材料发掘这四个方向上进行努力，而政府和业界也应该重视这项技术的商业化。

　　在“减法”方面，围绕未来国防领域采购数量最大的F-35的金属加工，相关制造商也一直在开发先进技术满足其精密、高效、低成本需求。例如，美国Creare公司开发了称作间接冷却系统（ICS）的低温加工技术，使用一种惰性液态受压流体实现刀具的非间接冷却，对钛合金（Ti-6Al-4V）的车削来讲，将刀具寿命延长了160%。目前看来，尽管F-35中也将引入增材制造技术，但仅限于制造几种非承力的小型管道和铰链零件，而在无法证明其大批生产的经济性、大型制造的可行性之前以及大承力下的可靠性，“减法”加工还将长期统治未来飞机制造的舞台。

　　机器人总动员

　　“机器人总动员”已经不再是一部电影的名称，而是未来飞机制造中的一个鲜活场面。机器人可以运用到飞机零件成形、加工、焊接、装配和喷涂等各个领域，执行复合材料预形件编织、预浸料丝束铺放、金属粉末激光增材制造、无损检测、零件切割、切削、表面精整、激光喷丸、搅拌摩擦焊、激光焊、钻孔、铆接、辅助定位、搬运、喷漆和涂层厚度测量等一系列的工作。尤其是在F-35、A400M、A350、C系列等先进飞机的装配和喷涂上，机器人几乎已经成为标配，成为了快速、高精度、低成本的代名词。而在机器人金属焊接和复合材料成形等领域，以波音、EADS为首的制造商以及以MAG、EI为首的设备供应商也在联合开发适用的机器人系统，进一步扩大机器人在大型零件制造方面的应用范围。

　　但同时应该看到，机器人在未来飞机制造中的普及还受制于4个有待解决的问题，即传统观念与传统工艺的革新、系统设计与系统集成的复杂、工作空间与负载能力的限制、专用工装与周边设备的配套。相信在这些问题解决之后，我们将会迎来飞机制造的机器人时代。

　　好马配好鞍

　　俗话说“好马配好鞍”，一个精密零件的高效成形和装配，既离不开优良的制造设备，也离不开优良的制造工装（模具）。进入到复合材料时代，其独特的热膨胀和压力变形特性使这一点显得更加重要。今后复合材料飞机的竞争，将既取决于制造商的设计水平、制造工艺和生产能力的优劣，也取决于其选用的工装技术的好坏。

　　在复合材料成形领域，针对热压罐固化和非热压罐（OOA）固化，国外发展了多种新工装材料和技术。在金属工装方面，所作的工作是大幅减少殷钢重量，开发新金属材料，如在F-22前机身上试验的殷钢/复材混合工装；在复合材料工装方面，着眼于提升复合材料性能，引入纳米增强技术，如用于A350机身壁板的各向同性HexTOOL材料工装；在自加热工装方面，则关注减少加热周期和能源消耗的自加热技术，如用于RQ-7B机翼蒙皮的高效电加热工装。

　　在复合材料装配领域，制造商采用先进的柔性工装和夹具将成为缩短周期、降低成本的重要手段，空客公司在A350上就采用了两种创新的柔性理念。一种是基于并行运动机械装置（PKM）的柔性夹具，消除了只能有一个心轴/装配工具的数量限制；另一种是经济可承受的可重配置工装（ART），由标准钢组件包拼装而成，依靠度量系统快速组装，并且可调整和重新组合。

　　爱拼才会赢

　　飞机装配既是体现一个企业乃至国家制造技术水平的环节，也是缩短飞机制造周期、降低飞机制造成本的关键过程，正所谓爱拼才会赢。未来飞机制造，如何装配，是决定胜负的关键。波音、空客都在致力于建立空前的柔性装配系统，这个系统中有6个主要的特征，即自动化钻孔与铆接、数字化测量与控制、模块化装夹与定位、无人化搬运与输送、序列化装配与集成、虚拟化仿真与现实。其中，前4个特征已经得到了充分地体现，而后2个特征也在不断丰富其内涵和应用案例，向人们描绘着未来飞机装配的发展方向。

　　空客为A350机身壁板设计了一条柔性脉冲移动装配线（PML），可以允许最多7种壁板同时进行钻孔操作，每种壁板按照任务量不同分配适当的钻孔机器人，这种方法既节省空间又可以支持壁板的高效与透明化装配。为了监控总装线上的所有物体和人员，以安全地装卸部件并精确地定位自动化装配机床，波音参与开发了一套工厂三维激光扫描成像系统，并且在747-8总装线进行了试验性部署，该系统一旦收入使用，将可能颠覆目前的飞机装配管理流程，显著提升生产效率。

　　今天你成熟了吗

　　对于飞机制造项目中的制造风险，过去没有科学的、统一的衡量和管理方式，美国国防部在总结了大量经验教训之后，开发出了制造成熟度这一管理工具，试图将制造风险的衡量和管理标准化，并取得了显著的效果。制造成熟度着眼于制造系统实现项目最终目标的能力，在技术和工业基础、制造管理、制造管理、设计、材料、过程能力和控制、设施、人员、成本和投资等维度对其进行衡量，统一了描述制造风险的语言。现在，如P-8A巡逻机、MQ-9无人机、KC-46加油机等美国国防部众多采办项目，都要设定制造成熟度里程碑，用以监控并降低制造风险。

　　未来飞机制造的竞争已经超越了工艺技术本身，实质上成为了技术成熟度和制造成熟度的竞争。工艺技术的创新和工业基础的完善是前提，设计仿真能力、材料供应能力、过程控制能力、设备研制能力、人才技术能力都是核心竞争力，供应链管理、成本管理、质量管理、制造过程管理、设施管理、人员管理、计划和进度管理则是必要的保障。这也要求我国航空工业转变转念，做好充分的准备，迎接未来飞机制造领域更加系统、更加复杂的竞争。

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