早读 | 道阻且长，行则将至，我国航空复材将进入“工业化时代”

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3.18-3.25

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“自动化”进程正在加速

上周的早读中，我们集合航材论坛专家的报告发言，盘点了复合材料、增材制造在国产军民机上的应用情况。

那么，随着它们的应用比例越来越高，体现在“生产端”便是引入更多的自动化设备。以复材的批量生产为例，随着碳纤维复合材料零部件的尺寸、厚度的不断增加，这就要求工艺上对铺贴的精度越来越高，而且还是不同的方向铺贴，那么为了确保质量、减少人为因素，从手动铺带到自动铺带/铺丝就成了行业的必然趋势。

同样，以此为起点，后续如复材零部件的转运、加工、检测等工序也在向着自动化迈进。

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飞机零部件的尺寸越来越大，生产环节中引入的自动化设备越来越多，以提高效率、降低人工作业负担，也更好地保证了产品质量的稳定。

回顾航空业的初始发展阶段，制造环节中，飞机制造工厂曾招募裁缝女工，将棉布蒙皮缝在木质飞机骨架上……而今天，航空复材生产过程中，这样的自动铺丝、铺带环节，也有着昔日“纺织”的既视感。

“数字化”是行业趋势

本届航材论坛上，来自波音、西门子等企业的专家在分享介绍中，重点关注了生产制造环节的自动化、数字化。

比如增强现实AR技术在装配上的应用，利用人工外骨骼等设备来助力人工作业、降低作业强度，通过人机交互技术来充分发挥人工和机器人/自动化设备的各自优势，通过自动化系统的仿真来有助于提高生产效率、降低系统的故障率，通过数字化工具搭建生产标准流程，来对流程仿真、模拟、验证、量化分析并得出优化建议等。

数字化在航空材料领域的应用，不单单是这些制造阶段，上溯到前设计阶段也是离不开“数字化”的助力与赋能。

设计人员可通过“数字化”（比如热门的数字孪生、数字线程）、数字化工具、有限元分析软件、辅助设计软件、工业软件来加强对新材料、新工艺的了解，将其优势与缺陷等方面更全方位地展现，来“拓扑优化”，进而提高开发速度、缩短开发周期、降低开发成本，助力工程师更高效地找到结构设计与材料性能上的最优解。

“拓扑优化”也是航材论坛上的高频出现的技术名词。拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。

向着“数字化”的迈进，更进一步的还包括与大数据、AI人工智能、机器学习等近年新兴数字技术相结合。比如面对模拟仿真工作、试验过程中产生的海量数据，通过这些数字技术来帮助技术人员更高效地完成对数据的整理、分析等工作。

通过数字工具来对增材制造部件进行拓扑优化，可找到重量轻、性能最优的结构设计方案。

不仅如此，这场席卷航空制造业的“数字化”正从设计、制造等阶段，不断外延拓展。

比如在关乎一型航空产品成败的适航审定阶段，目前国外在适航审定思路上就正从传统的“一构型一检”向着数字化工具之下的模拟和分析方法转变。而随着这条“数字化”必由之路的不断延伸，它正在将设计、制造、装配、测试、适航认证、维护、改型升级等全链路环节逐步打通、融合、“一体化”。

国产航空复材的“工业化时代”

在上周的早读中，我们已经通过论坛上专家的报告发言了解到国产民机在复材、增材制造上的应用迈出了第一步，比如C919上复材应用比例达到了12%。

但数字的背后，另一个事实是这些复材的原材料都还是来自国外。所以，在未来的CR929上，中国商飞表示在使用进口原材料的同时也将使用国产的，“将国产材料纳入到了整个研制过程中”。

从ARJ21到C919，随着航空复材应用比例的不断提高，中国商飞在应用过程中积累了一定技术和经验，形成了工艺规范、制造工艺上的不断提升。升级，批产，过程控制手段，保证批产产品质量稳定，产品合格率。

不过，相较于国外航空复材上万吨的年产量，我国航空复材产量规模偏小，尚未进入大批量的工业化生产阶段。对此，与会相关专家都在强调，工艺性能、PCD文件（“材料生产过程控制文件”）是国产航空复材能否迈过工业化批产这一关的关键所在。否则就是质量稳定性不佳（比如表现为，不同批次材料成分或性能波动较大）、报废率高、生产效率不高、加工成本上涨、材料质量问题频现，乃至是无法装机应用。 比如就有专家指出“一些国产航空材料获得了批准，但PCD准备上不够或是推广的不好，产品的稳定性较差”。

结合国内咨询机构发布的报告数据，风电叶片是我国碳纤维最大消费市场，其次是体育休闲领域。

可见，一款航空复材的成功，不单单是在实验室阶段有着出色的性能参数和获得认证批复，还要看当它的“工艺性能”，它在进入到批量工业化生产阶段后能否有着各批次的质量稳定，同时还兼顾了生产效率、生产成本等。

航空复材如果在大规模工业化生产阶段出现了“质量不稳定”，一方面是打击了业界对国产航空材料的信心，另一方面的连锁反应之一是更多频次或项目的检验量，变相增加了国产航空材料的成本，自然是削弱了与进口航材的相对价格优势。

“打造复合材料产业链”

对于我国航空制造业来说，在航材领域的目标不单单是国产航空复材的大批量工业化生产，还在于“打造复合材料产业链”，培育形成全产业链上下游的核心供应商，包含材料的供应商、原材料的供应商和工艺材料的供应商等，它们的材料覆盖主要材料规格，质量持续达标稳定、严格遵循认证标准、具备国际竞争力。

这些材料既包括复材核心的T300级的碳纤维、T800级碳纤维、玻璃纤维等，也包括复材制造过程中所需的工艺材料、辅助材料等。

论坛上，来自宝武特钢的专家介绍了，复材生产中不可或缺的“模具”原材料殷瓦合金，其有着低膨胀特性、时效稳定性、真空稳定性等特点，而殷瓦合金备受媒体关注的一个应用是LNG船的建造中。这个案例也说明了国产化航空复材之路上，需要全产业的协同、齐同并进。

还有这条产业链中尤为重要的一环——设备供应商，包括生产设备、铺贴设备、成型设备、加工设备、检测设备等。目前相关的关键性国产设备正经历从解决有无到好用与否的蜕变，而这也是制造商与国产设备供应商间的紧密协同、“双向奔赴”、不断迭代的过程。

展望未来，随着国产设备的“蜕变”日臻完善，国产航空复材的产量不断提升并更大范围地使用，将给国产军民机带来性能与经济性上的优势。

道阻且长，行则将至

但这样的“国产化”之路又注定是绝非坦途，要直面前方坎坷，冲破技术迷雾，不断攻克一个个难题和挑战，不断向前不断取得新的突破，也要直面当下在与业界领跑者的对比中客观存在的差距，注定要有一段不短的追赶。

这既包括我国民机在复材、增材制造上的应用，相较于波音、空客的不小差距，也包括技术领域与一流之间对标，在基础理论、关键工艺技术、高端装备、核心元器件、商用软件和产业应用等多方面存在的差距与短板。

空客A350XWB不单单是在复材应用上先人一步（达到53%），在增材制造件的使用上也是达到了超千个的领先水平。

而这样的前路，又将是不断超越自我的求索之路，不断向前、不断拓展边界，不断增强对材料的认识、认识它的特性与缺憾，不断挖掘性能潜力，并梳理创立与之配套的一系列规范、准则、要求、标准和体系等。

特别是相比于业界对铝、钛等传统航空材料特性、工艺、缺陷等方面的相对全面了解，不论中外对复合材料、增材制造都还有着太多未知和迷雾，都需要大量的基础研究、更进一步的科研来“掌握的它的缺陷，是必然要走的路。”“增材制造不能解决所有问题，找到适应它的问题。”……由此才能最大限度地释放出新一代航空材料、制造工艺对航空技术的强大推动力。

不论是复材还是增材制造，都绕不开基础研究，了解一款材料的性能特性（如组织与力学性能、静力学、疲劳性能等）、所长、缺陷等，由此才它的应用场景。图为论坛上来自中国航发专家的对航空材料增材制造应用基础研究进展的介绍。

当前航空复材的应用就面临着减重效果不如预期明显的“窘境”，这背后的一方面原因就是当前对复材认识得不够透彻、选择了偏保守稳妥的设计。不过，这也说明未来随着对航空复材认识加强、设计水平提高，其有着很大的“减重”潜力可挖掘。

放眼我国航空材料、航空制造技术的前路，是追赶、是超越、是求索、是创新，这是我国航空制造业转型升级的必由之路。前路虽“道阻且长”，但“道阻且长，行则将至；行而不辍，未来可期。”

排版：郭雯斐

策划 | 文案：郑宇航

编审 | 监制：武晨、王兰

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早读 | 专家“庖丁解牛”：复材与增材制造在国产飞机上的应用