未來航空製造的四大關係

隨著時代日新月異的進步，航空製造體系已經發生了顛覆性變化。從傳說中魯班設計的木鳥，古人嬉戲的「紙鳶」，到萊特兄弟發明的第一架飛機--「飛行者一號」，到現在我國研發的C919中型客機，機體上很多的結構仍然是用纖維做的，可以說跨越了2500年的航空製造，我們從纖維回到了纖維。在面對未來航空製造問題，我們將圍繞材料選擇、製造模式、人機智能、數字工程等多方面結合發展。我們不僅要依靠現在的工業技術，也要有敏銳的科技情報發現它的動向，掌握它的整個發展趨勢。

專家介紹

劉亞威：

★ 中國航空工業發展研究中心高級工程師

★ 航空製造技術情報與管理諮詢專家

★ 清華經管MBA《中國智能製造強國之路》課程授課嘉賓

★ 在系統內交流、報告百餘場，內容涵蓋先進航空製造技術發展、國防製造創新體系、數字工程與智能製造、製造成熟度管理

未來航空製造的四大關係：

未來航空製造的快速發展主要包括四大關係：黑與白之戰、加與減之間、人與人之爭、虛與實之合。

01

黑與白之戰

-材料選擇顛覆製造體系

隨著航空製造的發展，有色金屬及其合金體系也在不斷完善和進步，如鋼、鋁、鈦、鋰甚至鈹等大量應用在航空製造中；但是，正如哲學上所講，事物的發展總是在矛盾中進行，新的競爭對手--纖維和樹脂的出現，顛覆了整個航空製造體系。

舉個例子，在大學裡的金工實習，我們往往做的都是金屬的車削和銑削；但是在波音和空客製造機翼或機身的一些工廠裡，這樣的金屬體系幾乎很難發現，往往都是纖維和樹脂構成的材料。在這裡，可能完全用不到我們學到的金屬相關的知識和技術，它完全顛覆了傳統的製造體系。簡單來講，這裡所說的「黑」與「白」的問題就是碳纖維增強塑料（CFRP，Carbon-Fiber-Reinforced-Plastics）與有色合金之間的問題。

那麼黑材料對白材料的顛覆具體體現在哪裡呢？我們以波音787的機翼的蒙皮壁板為例，它的製造成型實際上是靠鋪絲機一層一層的鋪放纖維絲束，就像納鞋底一樣，這與傳統的鑄鍛焊、擠壓成型是不一樣的，經過幾天時間，鋪疊出一定的結構形狀，再通過使用熱壓罐或非熱壓罐設備進行固化，使其從軟軟的材料變成硬邦邦的可供使用的結構。

下面我們從一組數據上來體會黑材料對白材料的顛覆。早在1995年這種材料在波音777上的用量就達到9%，2000年之後在空客A380上的使用量達到25%，到波音787上的使用量更是達到50%。實際上現在看一架波音787飛機，除了起落架、發動機和尾部的一些地方以外，所有你能看得到的地方全都是這種材料。所以說從外表看,講波音787就是個「塑料飛機」一點也不為過。其實這種複合材料在很多直升機的用量早就超過60%，有些無人機90%都是它製成的，這就完全顛覆了我們之前認為的飛機是金屬做的概念。

這樣大的顛覆帶來的直接問題就是，因為兩種材料體系的不同而使其從原材料到設計、加工工藝都要付出很大的更換代價；不過應用這種黑材料的直接的好處就是減輕結構重量、減少零件個數。我們知道上天的飛機減1g都是一個巨大的突破。以波音787為例，為了提高艙壓增加舒適度，應用複合材料後艙壓的提高僅使機身結構增加了70公斤，如果使用常規的鋁合金機身，結構將增加1噸。

總體來看，更換這種材料不僅僅是選材這麼簡單的問題，黑、白材料的背後是兩種不同的製造體系，複合材料產品和工藝設計緊耦合，面向金屬的設計理念和生產流程必須變革；黑、白材料的長期共存、共同發展是主流方向，必須解決好金屬-複合材料的異種材料的連接問題；黑與白選擇不僅是技術問題，複合材料已經是飛機的標配先進性的標誌，就像手機不全屏、沒有後置「四攝」就是落後，複合材料的用量更是雙通道客機重要的市場宣傳指標；此外，黑材料還在因樹脂的不同而持續自我顛覆，黑吃黑可能成為另一種未來，這就是另一個話題了。

02

加與減之間

-手段變革顛覆思維模式

我們從GE航空在短期內收購瑞典Arcam和德國概念雷射兩大3D列印設備巨頭，並一舉從3D列印行業最大的用戶之一躋身於3D列印市場最大的設備和服務供應商，不難看出GE航空正在進行一場豪賭--布局製造業模式變革。增材製造技術相比於傳統加工技術確實很有顛覆性。它不僅可以實現複雜、革命性設計與製造，如拓撲優化結構設計、複雜的三維形狀列印等；還可以實現敏捷、整體、低成本製造，如全數位化、無需工裝模具、整體一次成型等。

我們這裡舉幾個簡單的例子，以空客A320的一個鉸鏈為例，經過拓撲優化以後實現了一個簡單、輕盈但強度和功能沒有改變的新結構；GE LEAP發動機燃油噴嘴構件，傳統加工方法需要對20多個零件進行焊接加工，但是應用3D列印可以迅速實現一體化成型，大大減少工藝流程；對於價格昂貴的鈦合金，如果利用傳統的加工方式，經過切削加工後不僅浪費了大量材料，而且成本也大大提高。但是如果應用3D列印技術，一體化成型就會大大減少這樣的問題。

同時，增材製造本身具有多樣性、顛覆性的特點。從能量種類（雷射束、電子束、等離子束、超聲、冷凝）、材料形態(液體、粉末、絲材、薄片)、送料方式（預先鋪放、同步送料）、增材形式（選取燒結、熔絲沉積、焊接、膠接）可多樣搭配。隨著近幾年的發展，在航空製造中搭配組成的常用的增材製造方法有SLS/SLM、DLM/DED、EBM、FDM、SPD等。同時，3D列印技術還在不斷地深入航空製造應用：向大型金屬承力構件擴展，向加減一體化加工模式擴展，向複合材料整體結構件擴展，向複合材料工裝擴展，向飛機內飾減重結構擴展。

我們以首架3D列印的噴氣動力（Jet-Powered）飛機為例，這架無人機重達15公斤，翼展3米，時速可達241.4千米，通過3D印表機器人上裝置多個列印頭，並且可以放置不同的原料，很快就可以完成機翼列印，可大幅提升設計製作3D列印飛機的效率；還有波音777X的機翼加工工裝，如果應用傳統的加工方式完成工裝需要3個月，而採用3D列印技術30個小時就可以完成，這樣的工作效率顯而易見。但是，由於3D列印技術發展時間短，水平還不夠成熟仍存在這樣那樣的弊端，高效，大規模的減法加工即傳統加工方法依然絕對主流。

總體來講，加與減不存在太大的競爭關係，增材目前更多地是解決超越減材加工極限的問題，以及不經濟的設計，增材無法實現淨成型，仍需減材等後處理；加與減的創新不在一個維度，增材是一種可完全顛覆設計人員工程思維的手段，面向增材的設計實際就是遵從自然界本質和質量守恆；加與減選擇還有一系列約束，增材製造相關標準規範還十分缺乏，受軟體、材料、精度等問題制約，而且其數字線索存在賽博安全風險；加與減合一是相當好的概念，加減複合工具機將為大幅提升增材製造的效率提供解決方案。

03

人與「人」之爭

-賽博空間顛覆生產組織

賽博空間（Cyberspace）是哲學和計算機領域中的一個抽象概念，指在計算機以及計算機網絡裡的虛擬實境。傳統技術工人加工模式是通過「人腦→人手→人腦」的流程；自動化加工模式是通過「人腦→人手→電腦→機械手→電腦→人腦」的流程。我們以F35戰鬥機進氣道的鑽孔為例，進氣道的直徑最寬處只有0.5米，正常工人幾乎無法進入，而應用機器人就可以很容易完成並且精度很高，原來的工人就可以操作電腦、監測鑽孔過程，這樣我們就實現了由人腦控制人手，人手操作電腦（賽博空間編程），程序控制機械手，機械手回傳數據到電腦最終傳給人的自動化過程。機器人在航空領域，從加工、連接、成型、裝配等方面得到了很多的應用，大大減少了人力的應用，比如切割、鑽孔、雷射焊、增材製造、測量等。

同時，機器人在航空領域的發展也產生了很多創新，這裡以複合材料鋪放機器人為例，用於複合材料的纖維和樹脂等會使人類的工作環境變得不健康，但機器人並不在乎這個環境。使用鋪放機器人進行纖維增強聚合物材料的成形可以增加產能，同時保護工人免受有毒纖維粉末和有害氣體的侵擾。而對於航空製造未來發展，單個機器人的發展已不再是大問題，多個機器人協作更顯得尤為重要。

機器人協作問題不是簡單的編程問題，還需要大量的仿真計算和傳感器，它的一些交互實際上就是把物理世界的東西在賽博空間預先做仿真編程，通過通信手段去控制物理世界的操作，再把物理世界發生的事情，通過傳感器回傳數據到賽博空間去分析，然後再形成新的、更優化控制方案或者指令。這個本身就是賽博空間和物理世界互動的過程，也可以說賽博空間賦予了機器人能力。以空客公司在美國建設的機器人實驗室為例，它可同時應用9臺機器人來完成無人機結構加工和裝配過程，9個機器人處在不同位置，配備不同功能末端執行器的機械手，完成從焊接、鑽孔、噴漆、檢測等全過程，而實現這一高度協同工作背後依靠的是強大的賽博空間。

機器人需要與人協作嗎？答案是肯定的。人和機器人沒有絕對的替代關係，機器人與人之間很多時候要協作。歐盟很多項目都是考慮機器人跟人之間怎麼能夠共同一起工作，甚至人教機器人、機器人教人。以前的機器人像動物園裡的老虎一樣關在籠子裡，絕對不能讓他跟人接觸，因為機器人致人死亡的案例並不鮮見。反觀現在我們消除了心理恐懼感，跟機器人在一塊工作，本身就說明了機器人的進步，它是一個新的生產組織關係，機器人可以自由地跟人接觸，甚至可以自由地在工廠裡移動去幫助人做事，跟人一起完成特定任務，這個本身就是一個新的生產形態。

但是，仍有一些事情是機器人無法勝任的！舉個例子，在C919上安裝電線，一共700多種線束，固定線束零件3000多種，零件總數超過15萬個，機器人是做不到這一點的，讓人完成也是很困難的，就像我們買家具安裝零件需要看說明書，15萬個零件的說明書根本看不過來。這時候就需要一個能實時指導我們安裝的設備，如波音和谷歌嘗試用谷歌眼鏡，在眼鏡上是把數字的說明書信息疊加到攝像頭拍到的真實畫面中，實時地告訴你如何操作，這就是增強現實（AR）的概念。這裡也可以看出賽博空間的賦能，人是不能孤立於生產系統而存在的，所有相關信息都要連接到人，通過AR技術就把人與賽博空間無縫的連接了起來。

總體來看，人與「人」都具備獨特能力，人類靈巧的雙手和隨機應變的能力是當前機器人不具備的，而機器人則能夠不知疲憊地重複完成高質量任務；人與「人」不是說換就能換，必須更好地權衡自動和人工，謹慎地設計自動化流程、方法和工具；人與「人」協作將成為主流，未來自動化的設計，一定是機器人更多地與人進行接觸、交互；人與「人」將改變組織結構，通過工業物聯網，工人將獲得全新的角色管理機器人單元甚至班組。

04

虛與實之合

-數字世界顛覆管理範式

美軍在發展工業4.0時，提出建立數字工程生態系統，以數字模型為中心，以數據和模型為依據謀事做事。

以數字工程生態系統去助力兩個戰略的實現，一個是第三個抵消，即以快制慢，以技術突襲來應對別人的技術突襲，用虛擬試驗大量減少試驗時間，在數字空間中去把很多問題解決掉。就好比別人的飛機10-20年更換一代，而我們就可以跟汽車一樣1-2年更換一代；另外就是更加購買力，以更少買更好，這是世界最有錢客戶的看法，值得我們深入研究。

以數字模型為中心的的基礎是海量和全過程的模型，比如飛機設計，從分子建模、有限元、計算、仿真到全尺寸都可以建立數字模型來仿真分析，而且這是多逼真度的物理特性模型，按物理公式而不是簡單數學差值計算進行建模；以數據和模型為依據謀事做事，就是飛機從產品設計、分析、製作、裝配、工廠運行、使用、保障等過程都是依靠模型來預先驗證，利用數據來監測和校準，甚至在設計時就能通過模型，快速地給你提供上千種方案可供選擇。

簡單來看，虛與實就是數字世界與物理世界的相互貫通。從數字世界先行的目的是深層理解降低風險，把問題消滅在數字空間。比如設計空客A350的機身壁板裝配線，它是一個顛覆傳統的壁板脈動式向前運動的流程，機器人是固定的，應用程式控制機器人鑽孔，這時候就需要在數字世界先計算、仿真來判斷哪裡會出現問題；反過來，從物理世界反饋的目的是真實掌握狀態，把數據傳回數字世界來驗證對比、學習提升。其中虛實共生--數字孿生的概念，在美軍看來是指，使用最佳的可用模型、傳感器信息以及輸入數據，對已建造系統的一個多物理、多尺度和概率性的集成仿真，以鏡像和預測相對應的物理孿生體生命周期的活動/性能。數字孿生可簡單的理解為你在鏡子裡看到的自己的實時動態。

那麼數字孿生到底有什麼作用呢？首先，數字孿生可以改變產品質量管理，通過真實生產數據回傳到模型，分析實物的應力集中等存在的潛在問題；改變工廠資產管理，通過粘貼RFID晶片，對物品直接定位，實時跟蹤物品的位置以及歷史軌跡；改變飛機壽命管理，結構管理單元通過數字孿生分析對飛機進行損傷診斷，減少不必要的維修費用。

總體來講，虛與實結合創造更多的機遇，隨著物理世界大量隱藏數據可感知，以及數字世界的仿真計算能力飛躍發展，兩者結合帶來巨大前景；虛與實的連接集成是門學問，將多源異構數據融合併集成到多專業模型中，給建模和數據處理提出了難題，更需要從設計開始轉變思路；虛與實賦能的管理水平提升，以往靠開會討論、評審報告的管理決策方式，將可能被基於模型和數據的風險概率仿真與權衡分析所取代；虛與實共生將會成為新常態，以前CAD模型只是理想的幾何模型，未來基於物理特性的數字孿生將伴隨物理產品生命周期，不斷更新。

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