Sau khi đạt đỉnh carbon và trung tính carbon lần đầu tiên được đưa vào báo cáo công việc của chính phủ Trung Quốc vào năm 2021, trung lập carbon trong hai phiên họp đang diễn ra một lần nữa trở thành chủ đề thảo luận sôi nổi. Sự nóng lên toàn cầu đã dẫn đến nguy cơ khí hậu ngày càng gia tăng, và đạt được mức độ trung tính carbon là nhiệm vụ cấp bách nhất trong thế giới ngày nay. Đánh giá về tổng lượng phát thải carbon trên phạm vi toàn cầu, ngành hàng không thực tế không phải là hộ siêu lớn về phát thải carbon, nhưng chắc chắn là “hộ khó” trong việc giảm phát thải carbon. Với sự gia tăng số lượng máy bay, việc liên tục khám phá và cải tiến các phương tiện tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khác nhau để đạt được mục tiêu đã thiết lập về tính trung hòa carbon trong ngành hàng không vũ trụ vẫn là một nhiệm vụ đầy thách thức.
Sản xuất phụ gia cho phép trung hòa carbon vòng đời trong ngành hàng không
Viện sĩ Lu Bingheng chỉ ra rằng: “Trong tương lai, ngành sản xuất của Trung Quốc sẽ được chia thành ba phần: nguyên liệu, giảm nguyên liệu và bổ sung nguyên liệu”. Đặc biệt trong lĩnh vực hàng không, chế tạo phụ gia có những lợi thế riêng như giảm trọng lượng máy bay, tạo thành các bộ phận phức tạp và tích hợp thành phần hiện thực hóa, đã cho thấy giá trị lớn và triển vọng ứng dụng rộng rãi. Các bộ phận của máy bay chở khách cỡ lớn nội địa C919 sử dụng công nghệ chế tạo phụ gia để gia công đường cánh trung tâm; Boeing 787 Dreamliner có 30 bộ phận được chế tạo bằng công nghệ chế tạo phụ gia; Động cơ hàng không tiên tiến GE9X của GE có hơn một phần ba các thành phần. Nó được thực hiện bằng cách sản xuất phụ gia.
Khi chúng ta xem xét toàn bộ vòng đời sản phẩm của thiết kế và sản xuất sản phẩm hàng không vũ trụ, vận chuyển hàng không, bảo trì và bảo dưỡng sản phẩm từ góc độ phát triển, các đặc điểm của công nghệ sản xuất phụ gia xác định rằng nó có lợi thế đáng kể so với sản xuất truyền thống về tính trung tính carbon.
Thiết kế và sản xuất
1. Không cần mở khuôn, lặp đi lặp lại nhanh chóng. Ưu điểm nổi bật nhất của công nghệ sản xuất phụ gia là các bộ phận có hình dạng bất kỳ có thể được tạo trực tiếp từ dữ liệu đồ họa máy tính mà không cần gia công hoặc bất kỳ khuôn nào, điều này sẽ làm giảm đáng kể quá trình lặp lại, rút ngắn chu kỳ sản xuất và phát triển sản phẩm, đồng thời tăng năng lượng trong quá trình phát triển. lượng tiêu thụ giảm đi đáng kể. Giáo sư Wang Huaming của Đại học Beihang từng nói rằng Trung Quốc hiện có thể sử dụng công nghệ chế tạo phụ gia để in khung cửa kính buồng lái của máy bay C919 chỉ trong 55 ngày, trong khi một công ty sản xuất máy bay châu Âu cho biết họ sẽ sản xuất thứ tương tự trong ít nhất 2 chiếc. nhiều năm. Công nghệ sản xuất vật liệu giúp rút ngắn đáng kể chu kỳ sản xuất và nâng cao hiệu quả.
2. Hình dạng ròng, tỷ lệ sử dụng vật liệu cao. Một cách quan trọng để sản xuất phụ gia có thể trung hòa cacbon là sử dụng ít vật liệu hơn cho từng bộ phận, thành phần và sản phẩm. Sản xuất phụ gia là một hình dạng lưới, giúp giảm đáng kể chất thải tạo ra trong quá trình cắt, phay và mài của sản xuất truyền thống và tỷ lệ sử dụng nguyên liệu của sản phẩm cuối cùng được cải thiện đáng kể. Ngoài ra, thông qua việc tối ưu hóa cấu trúc liên kết, việc hình thành cấu trúc mạng tinh thể, cấu trúc mạng tinh thể,… cũng có thể đạt được mục đích tiết kiệm vật liệu.
3. Tích hợp cấu trúc chức năng, giảm bớt các thủ tục xử lý và lắp ráp. Công nghệ phụ gia không yêu cầu các công cụ và đồ đạc truyền thống và nhiều quy trình xử lý, đồng thời có thể sản xuất nhanh chóng và chính xác các bộ phận có hình dạng phức tạp trên một thiết bị, do đó hiện thực hóa việc tích hợp các chức năng và cấu trúc của bộ phận, đồng thời giảm thiểu đáng kể các quy trình xử lý và lắp ráp. quá trình để đạt được mục tiêu carbon thấp của quá trình sản xuất.
Avận chuyển hàng hóa
1. Giảm trọng lượng và giảm tiêu thụ nhiên liệu. Đối với thiết bị hàng không, giảm trọng lượng là chủ đề muôn thuở của nó, và giảm 5% trọng lượng có thể tiết kiệm 20% mức tiêu thụ nhiên liệu. Sản xuất phụ gia có thể giảm tiêu thụ năng lượng trong quá trình vận chuyển bằng cách giảm trọng lượng của các bộ phận máy bay.
2. Cải thiện hiệu suất đốt cháy động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu. Bên trong động cơ, công nghệ sản xuất phụ gia hoàn thiện việc sản xuất buồng đốt và nhiều bộ phận cấu trúc, giúp động cơ đơn giản hơn, nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn, cho phép nó tiết kiệm đến 15% nhiên liệu bằng cách cải thiện hiệu suất nhiên liệu chỉ bằng thiết kế.
3. In theo yêu cầu, giảm lãng phí năng lượng. Sản xuất tại chỗ và in theo yêu cầu giúp giảm lãng phí năng lượng tổng thể và giảm lượng khí thải carbon. Các chi phí môi trường như lắp ráp, vận chuyển, hậu cần, lưu trữ, ... hầu như được loại bỏ, dẫn đến việc sử dụng năng lượng và tài nguyên được cải thiện.
Sửa chữa và bảo trì
1. Tái chế, xanh và ít carbon. Sản xuất phụ gia có thể hiện thực hóa việc tái sử dụng các bộ phận bị loại bỏ thông qua công nghệ xay xát, và hiện thực hóa sự phát triển của ngành sản xuất hàng không theo hướng kinh tế tuần hoàn. Ví dụ, ý tưởng kỹ thuật của MolyWorks ở Hoa Kỳ là chuyển chất thải in kim loại thành bột chất lượng cao. Đồng thời, công ty đã đề xuất mô hình phát triển kinh doanh “Mobile Foundry”, tức là chất thải kim loại được tiêu hóa và chuyển hóa thành bột chất lượng cao ngay tại chỗ.
3. Sửa chữa một phần để tránh các bộ phận bị trầy xước. Dựa trên các đặc tính sản xuất từng lớp của quá trình sản xuất phụ gia, chỉ phần bị hư hỏng được coi là chất nền đặc biệt và hình dạng của phần có thể được phục hồi bằng cách tạo hình ba chiều bằng laser trên phần bị hư hỏng và hiệu suất có thể đáp ứng các yêu cầu của việc sử dụng. Một chu trình cacbon thấp trong quy trình sản xuất các bộ phận được thực hiện, giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong quá trình sản xuất vật liệu và bộ phận mới. Ví dụ, đối với bộ phận đĩa tua bin, khi một phiến đĩa bị hư hỏng, chỉ cần sử dụng công nghệ chế tạo phụ gia để sửa chữa phiến đĩa bị hư hỏng để khôi phục chức năng của đĩa và tránh tình trạng sứt mẻ toàn bộ đĩa tua bin.
3. Cải thiện hiệu suất của các bộ phận và tăng tuổi thọ. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc của các bộ phận, ứng suất của các bộ phận có thể được phân phối một cách hợp lý nhất, giảm nguy cơ nứt do mỏi, do đó tăng tuổi thọ và giảm lượng khí thải carbon. Chẳng hạn, bộ phận hạ cánh được chế tạo bằng công nghệ 3D trên tiêm kích F16 của Mỹ không chỉ đạt tiêu chuẩn sử dụng mà còn có tuổi thọ trung bình gấp 2,5 lần so với nguyên bản.
Gợi ý cho các hướng đi trong tương lai
Để nâng cao hơn nữa khả năng sản xuất phụ gia đạt được độ trung tính của cacbon trong ngành hàng không, các hướng phát triển sau được đề xuất.
1. Tối ưu hóa cấu trúc vi mô vật liệu. Một cơ sở dữ liệu chuyên nghiệp được thiết lập thông qua hệ gen vật liệu để thực hiện tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu một cách thông minh. Bằng cách thiết lập mối quan hệ nội tại giữa thành phần, quy trình, cấu trúc vi mô và hiệu suất, cấu trúc vi mô đáp ứng các yêu cầu về tính trung tính của cacbon được thiết kế theo các đặc tính của vật liệu.
2. Tối ưu hóa cấu trúc và cấu trúc liên kết đa ngành. Giới thiệu thiết kế khối lượng theo hướng đa vật lý, tích hợp kỹ thuật số các tính năng đa quy mô và vật liệu đa loại, duy trì các đặc tính cơ học cần thiết và đạt được sự kết hợp cấu trúc-chức năng để giảm tiêu thụ vật liệu và giảm trọng lượng của các bộ phận.
3. Sự kết hợp giữa trí tuệ nhân tạo và công nghệ song sinh dữ liệu. Tích hợp thiết bị hoặc công nghệ tiên tiến như giám sát quá trình, nhận thức thông tin, học máy, trí tuệ nhân tạo, cơ sở dữ liệu, v.v. Tích hợp Internet công nghiệp vào một bộ đôi kỹ thuật số sản xuất phụ gia, để dữ liệu và mô hình có thể được chia sẻ và phân tích thông qua các nền tảng đám mây, và hệ sinh thái kỹ thuật số phụ gia có thể được cải thiện. Sản xuất phụ gia có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm lượng carbon trong mọi mắt xích của quá trình sản xuất các bộ phận máy bay.