索尔维和波音联手,让复合材料打造的飞机零件更普及 


尽管近期形势严峻,但航空业仍在着力把握长期机遇,比如提升飞机的制造效率。秉持这样的信念,索尔维开发了一种新型材料,它能帮助飞机制造商以更迅捷的速度和更低廉的成本生产复合材料零部件。有了这项突破性技术,金属就不再是飞机中小尺寸零部件的唯一性价比之选。除了成本因素之外,这对帮助航空业减少碳足迹也十分有利。

飞机需要减重。航空业在不断寻找优秀的解决方案,以制造出油耗更低的飞机,从而降低二氧化碳排放量,直接减少航空运输的碳足迹——目前该项碳排放占全球碳排放总量的2%。以复合材料代替金属制造飞机是众多解决方案中最为成熟的,制造商们多年来也一直瞄准这一方向,用碳纤维零件逐步取代金属件。实际上,目前某些在役商用飞机的复合材料占比已经接近50%。 

但是,向复合材料转变的过程进展缓慢。技术考量始终要面对时间和成本的考验:复合材料不但价格不菲,制作零部件还很费时。因此,为了加速推广更轻、更环保的飞机,必须先研发出适应更快捷生产的新一代复合材料。

Aerospace production components
Luchini, T., Rodriguez, A., Rogers S., Bras A., Whysall, A., Russell, R., Lucas, S., Hahn, G. "弹簧框架压制法制造的航空部件," SAMPE 2019.

 

能进行最快捷生产的复合材料


这正是索尔维和波音努力的方向——两家公司携手,开发出了新一代复合材料:CYCOM® EP2750,该产品已于今年正式上市。 

那么,这种材料有什么特别之处呢?主要区别在于它所需的固化时间。传统上,由于需要热压罐固化,用碳纤维树脂预浸料制作零件要花好几个小时。通俗地讲:你得把零件放在烤箱里烘很长时间。而CYCOM® EP2750 能大幅缩短这个过程需时,使生产速度提高10到20倍。 

此外,能实现如此之高的生产速度,也得益于这款新材料与双膜成型法(DDF)和弹簧框架压制法的兼容性——这是目前制造复合材料零件最快的两种工艺。零部件可以由机械手轻松处理,再结合树脂的快速固化特性,可将循环周期从8.5小时缩减到30分钟。这还只是良性循环的开始:随着零件制造速度的加快,资产利用水平会降低,产量将得到提升。同时,与采用热压罐固化相比,热压成型法具有更高的成本效率,对小尺寸部件来说尤其如此。把这些因素综合起来,每个零件的总成本将大大降低,从而让复合材料在与传统铝材比拼时具有竞争力。此外,虽然该技术只针对中小尺寸部件,但以此技术生产的产品其性能和质量均符合航空标准,这意味着主承力结构和次承力结构也可应用这些部件,复杂的几何形状也不在话下。

 

了解双膜成型法(DDF)

 

除了我们熟悉的商用飞机外,CYCOM® EP2750还适用于航空业中其它任何需要高速生产大量零件的领域,如军用飞机、自主飞行器——比如正在飞速扩张的无人机市场,以及新兴的城市空中出租车。对于这些垂直起降的飞行器,高性能、轻量化的复合材料无疑将会有用武之地。

在上述市场中,现有的复合材料技术都难以满足快速提升的制造速度。而我们的新材料不仅能带来必须的高效率制造,更能满足对成本效益的追求,让产品更具竞争力。 

Concept of a passenger drone flying above the New York


紧密合作追求轻量化


CYCOM® EP2750是索尔维和波音紧密合作共同开发的成果。三年多前,双方开始携手更深入地了解航空业对高速、高效生产零部件的需求,研究相关技术挑战,有针对性地开发材料和工艺解决方案,并通过制造各种有代表性的零部件,印证这种能力。作为JEC创新奖(JEC World Innovation Awards)航空类的三个最终入围方案之一,CYCOM® EP2750的成绩确实不俗。 

迄今为止,我们已经在模拟生产环境下制造了300多个5种不同款式的零部件,从而证明短周期和高性能是可以被有效实现的。两家公司明确了分工:波音为生产速度(生产节奏,即从开始生产某个原件到开始生产下一个原件之间的平均时长)和材料性能设定目标,并以典型小尺寸航空零件为蓝本提供零件设计。索尔维负责开发加工要求、预浸料以及制造工艺。 


将碳足迹减半


鉴于这项创新让复合材料飞机零件的成本能与金属件一较高下,制造商们也将越来越多地用复合材料零件取代金属,让飞机的复合材料占比超过50%的分水岭,从而进一步降低温室气体排放量。同时更轻的飞机也将带来更舒适的旅行体验:飞行高度可以降低,机舱增压不用那么大,空气湿度也可以更高,帮助减轻时差导致的不适。此外,复合材料带来的设计自由度,也意味着飞机可以在提升乘客舒适性方面获得更大改善空间。

据航空业估算,目前采用的复合材料帮助节省了10%-15%的油耗,这也可以换算成二氧化碳减排量:每节约1千克燃料相当于减少3.15千克二氧化碳排放。航空业仍在稳步增长,要成功实现2050年行业温室气体排放量减半的目标,唯一的办法就是让飞机不断变轻。好消息是,索尔维已经加入战斗,助航空业一臂之力!