专家“庖丁解牛”：复材与增材制造在国产飞机上的应用

　　3月15至16日，第八届航空材料与制造工艺国际论坛（下文简称航材论坛）在厦门市召开。

　　本届论坛以“聚焦先进航空材料数字化加工技术发展”为主题，共分为行业政策引导、复材应用与发展、航材先进技术研究进展三大板块。

　　在2天的日程里，来自工信部赛迪研究院、民航上海审定中心、中国商飞、航空工业、中国航发、中建材、厦门航空工业、波音、厦门大学等单位的20余位嘉宾纷纷发言，带来了高密度的信息输出，这也让台下笔者的笔记记得满满当当。

　　其中有一组组围绕航空材料与制造工艺的行业热门关键词，有一些近年业内数据、科研进展的披露，有可喜的成绩、有技术上的首次突破，也有行业专家、技术总师们，面对目前国内行业中存在的多方面症结与问题，提出的关键性技术、待补齐的短板以及未来趋势挑战等。

　　而这些一并描绘出了以复合材料、增材制造等为代表的先进航空材料与制造工艺产业的全貌。

　　复合材料（以下简称“复材”）、增材制造，已在近年来成为了家喻户晓的名词，二者也常被代之“碳纤维”和“3D打印”等更具象的称呼。也许因为其高曝光度，似乎提到这些名词，只知道他们代表着“先进”词就够了。

　　但航材论坛的主题之一，就是将先进航空材料置于业界专家的显微镜之下“庖丁解牛”。这也让我们这些业外人士能得以“管中窥豹”一番。

　　正如2022年11月那期有关中国航展的早读中所述：“以产品型号命名的任何一款飞机（以及其他国防装备），都是由成千上万个零部件‘器官’有机组合而来。”

　　此次借航材论坛之机，则是进一步获得了更微观的视角，看到了显微镜之下这些零部件的“器官”——航空材料。

　　一架飞机由成千上万个零部件组成，而在显微镜之下对这些零部件进一步微观，我们能看到它们的“器官”是航空材料。

　　目前复合材料在航空领域的使用量不断增长已是行业大趋势，而在这一过程中与材料相伴的制造工艺上也在不断迭代，可谓是“常用常新”。

　　相对而言，传统、经典的手工铺贴+热压罐成型的工艺，在生产成本、能耗、模具、效率、性价比上存在一定的先天不足。而当下正热的复材制造新材料、新工艺，一种是俄罗斯MS-21客机、空客“明日之翼”（Wing of Tomorrow）等项目上，机翼壁板、机翼梁所采用的液体成型工艺。这一工艺提高了部件的整体性，减少了零件数量，能大幅度降低成本，提高生产效率，这也标志着复材开始被应用在大尺寸主承力结构上。

　　另一热门新材料则是热塑性复合材料，工艺上不再需要使用热压罐，而是自动铺放，能够降低成本、提高生产效率，也有望实现复材如传统材料那样的零件焊接。

　　MS-21客机、空客“明日之翼”在机翼壁板、机翼梁上采用了复合材料液体成型工艺。

　　不过当前民机的复材结构件大多还是采用热压罐成型技术来制造的，因此也就少不了“加工”环节——通过修边或表面加工来达到装配精度，这也是复材零件制造的最后一道工序。

　　因此，加工的质量直接决定着复材零件的质量，直接影响到部件装配精度。但复材的先天特性也注定，在加工环节中会伴有常见的损伤和缺陷，机械损伤（分层、毛刺、纤维拔出）、热损伤金年会体育（纤维烧伤、树脂基体融化）、化学损金年会体育伤（裂纹、分层）等。

　　复材结构件的装配依旧是离不开机械连接的，所以紧固件孔的制备就成了不可少的环节。而加工的过程中就存在着多方面的潜在的加工损伤与缺陷、工艺上的挑战。

　　可以看到，从复材制造到加工，贯穿这一复杂流程的各个环节里都存在着潜在“变量”（如生产缺陷、加工误差等），并关乎着产品质量的好坏，直接影响产品的质量稳定性、生产效率、生产成本等。

　　所以，航空材料在生产过程中要借助PCD文件（“材料生产过程控制文件”Process Control Document）来对材料生产全流程进行管控，保证材料的稳定生产，特别是大批量生产交付中的产品质量稳定。而这里的PCD概念也是贯穿论坛上诸多专家报告的一个重点关键词。

　　航材论坛上，来自中国商飞的专家披露了一份报告，报告数据显示，复合材料在ARJ21上的应用只有2%，而到目前的C919已上升到12%……未来，CR929上这一数字将超过51%。

　　在ARJ21上，只有方向舵、翼梢小翼、襟翼、整流罩上等部件使用了复合材料。而C919上，垂尾、平尾、后机身、雷达罩、活动面（如扰流板、副翼、舱门）等已经都使用了复合材料。再到CR929上，复合材料开始在除机头外的全机身、机翼、尾翼上大范围应用，且尺寸更大、精度更高。

　　据介绍，在ARJ21身上，复合材料在国产民机上的应用刚刚起步，材料和制造技术尚处于相对比较低的水平，使用的碳纤维是T300级，制造工艺来讲主要是手工铺贴、真空袋-热压罐成型、多次固化。

　　在C919上则是材料和制造技术上全面提升，使用T300级碳纤维和T800级高强碳纤维，在机身壁板就采用了共固化、自动铺带、热隔膜成型和过程控制手段，保证了批产中产品质量的稳定。

　　在宽体客机CR929上，材料和工艺上正在进一步引入当前行业热门的液体成型树脂、热塑性复合材料、碳纤维缝编预成型体、自动检测技术等。

　　而且目前中国商飞也已开展了相关应用的前期研发、测试、验证等工作，进行了从工艺方案筛选到全尺寸级试验件的制造，完成了关键技术点的工艺研发。

　　过去几年里的公开报道中，可以看到中国商飞围绕CR929项目复合材料的应用所展开的试验件试制成功的新闻。

　　说完复材在国产民机上的应用，那么论坛上的另一热门话题词就是“增材制造”在国产军民机上的应用情况。

　　在航空领域中，由于航空零部件常为高度定制化产品，具有小批量、高标准等特点，这就使得增材制造能够快速制造的独特优势不断凸显。在设计方案发生多轮优化迭代时，增材制造技术能地快速试制、快速验证全新设计。加之，增材制造在快速生产轻量化、异型、超规格、复杂结构部件上的优势，因此，增材制造技术有望在军机的结构快速修理上发挥潜能。

　　因为与民机的修理有很大不同，军机在很多时候的修理条件是不完备的，往往是要靠前修理、原位修理、快速修理……这种时候，增材制造就能很好地做到结合修理需要的“按需定制”。

　　制造周期缩短80%，减重8%（将多个零件集成为一个或少数零件，减少零件数量和整体重量）。

　　此外，增材制造技术在民机上的应用范围不断扩大也同样是基于增材制造的这些独家优势。

　　根据中国商飞专家的介绍，国产民机上增材制造的应用也有了技术储备和一定的装机应用。增材制造在C919上的应用有登机门、服务门、应急舱门部段，单机使用量总计32件，已完成了超过300件零件的交付，并持续开展批产交付支持工作。

　　在C919、ARJ21的证后优化、衍生型号研制中，增材制造也有着潜在可挖掘的应用需求和场景，将不断扩大已装机增材制造产品材料工艺的应用范围和适航认证工作，以及在增材制造的材料上从金属扩展到非金属的PEEK（聚醚醚酮）、PEKK（聚醚酮酮）、PC（聚碳酸酯）、PA（尼龙）等。

　　下周早读，我们还将关注会议专家们介绍的“自动化数字化”，以及当前行业存在的问题短板、未来挑战等。