索爾維：新材料讓飛機告別金屬時代
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索爾維和波音聯(lián)手，讓復合材料打造的飛機零件更普及
盡管近期形勢嚴峻，但航空業(yè)仍在著力把握長期機遇，比如提升飛機的制造效率。秉持這樣的信念，索爾維開發(fā)了一種新型材料，它能幫助飛機制造商以更迅捷的速度和更低廉的成本生產復合材料零部件。有了這項突破性技術，金屬就不再是飛機中小尺寸零部件的性價比之選。除了成本因素之外，這對幫助航空業(yè)減少碳足跡也十分有利。
飛機需要減重。航空業(yè)在不斷尋找優(yōu)秀的解決方案，以制造出油耗更低的飛機，從而降低二氧化碳排放量，直接減少航空運輸?shù)奶甲阚E——目前該項碳排放占碳排放總量的2%。以復合材料代替金屬制造飛機是眾多解決方案中成熟的，制造商們多年來也一直瞄準這一方向，用碳纖維零件逐步取代金屬件。實際上，目前某些在役商用飛機的復合材料占比已經接近50%。
但是，向復合材料轉變的過程進展緩慢。技術考量始終要面對時間和成本的考驗：復合材料不但價格不菲，制作零部件還很費時。因此，為了加速推廣更輕、更環(huán)保的飛機，必須先研發(fā)出適應更快捷生產的新一代復合材料。
Luchini, T., Rodriguez, A., Rogers S., Bras A., Whysall, A., Russell, R., Lucas, S., Hahn, G. "彈簧框架壓制法制造的航空部件," SAMPE 2019.
能進行更快捷生產的復合材料
這正是索爾維和波音努力的方向——兩家公司攜手，開發(fā)出了新一代復合材料：CYCOM® EP2750，該產品已于今年正式上市。
那么，這種材料有什么特別之處呢？主要區(qū)別在于它所需的固化時間。傳統(tǒng)上，由于需要熱壓罐固化，用碳纖維樹脂預浸料制作零件要花好幾個小時。通俗地講：你得把零件放在烤箱里烘很長時間。而CYCOM® EP2750 能大幅縮短這個過程需時，使生產速度提高10到20倍。
此外，能實現(xiàn)如此之高的生產速度，也得益于這款新材料與雙膜成型法(DDF)和彈簧框架壓制法的兼容性——這是目前制造復合材料零件快速的兩種工藝。零部件可以由機械手輕松處理，再結合樹脂的快速固化特性，可將循環(huán)周期從8.5小時縮減到30分鐘。這還只是良性循環(huán)的開始：隨著零件制造速度的加快，資產利用水平會降低，產量將得到提升。同時，與采用熱壓罐固化相比，熱壓成型法具有更高的成本效率，對小尺寸部件來說尤其如此。把這些因素綜合起來，每個零件的總成本將大大降低，從而讓復合材料在與傳統(tǒng)鋁材比拼時具有競爭力。此外，雖然該技術只針對中小尺寸部件，但以此技術生產的產品其性能和質量均符合航空標準，這意味著主承力結構和次承力結構也可應用這些部件，復雜的幾何形狀也不在話下。
除了我們熟悉的商用飛機外，CYCOM® EP2750還適用于航空業(yè)中其它任何需要高速生產大量零件的領域，如飛機、自主飛行器——比如正在飛速擴張的無人機市場，以及新興的城市空中出租車。對于這些垂直起降的飛行器，高性能、輕量化的復合材料無疑將會有用武之地。
在上述市場中，現(xiàn)有的復合材料技術都難以滿足快速提升的制造速度。而我們的新材料不僅能帶來必須的高效率制造，更能滿足對成本效益的追求，讓產品更具競爭力。
緊密合作追求輕量化
CYCOM® EP2750是索爾維和波音緊密合作共同開發(fā)的成果。三年多前，雙方開始攜手更深入地了解航空業(yè)對高速、高效生產零部件的需求，研究相關技術挑戰(zhàn)，有針對性地開發(fā)材料和工藝解決方案，并通過制造各種有代表性的零部件，印證這種能力。作為JEC創(chuàng)新獎(JEC World Innovation Awards)航空類的三個終入圍方案之一，CYCOM® EP2750的成績確實不俗。
迄今為止，我們已經在模擬生產環(huán)境下制造了300多個5種不同款式的零部件，從而證明短周期和高性能是可以被有效實現(xiàn)的。兩家公司明確了分工：波音為生產速度(生產節(jié)奏，即從開始生產某個原件到開始生產下一個原件之間的平均時長)和材料性能設定目標，并以典型小尺寸航空零件為藍本提供零件設計。索爾維負責開發(fā)加工要求、預浸料以及制造工藝。
將碳足跡減半
鑒于這項創(chuàng)新讓復合材料飛機零件的成本能與金屬件一較高下，制造商們也將越來越多地用復合材料零件取代金屬，讓飛機的復合材料占比超過50%的分水嶺，從而進一步降低溫室氣體排放量。同時更輕的飛機也將帶來更舒適的旅行體驗：飛行高度可以降低，機艙增壓不用那么大，空氣濕度也可以更高，幫助減輕時差導致的不適。此外，復合材料帶來的設計自由度，也意味著飛機可以在提升乘客舒適性方面獲得更大改善空間。
據(jù)航空業(yè)估算，目前采用的復合材料幫助節(jié)省了10%-15%的油耗，這也可以換算成二氧化碳減排量：每節(jié)約1千克燃料相當于減少3.15千克二氧化碳排放。航空業(yè)仍在穩(wěn)步增長，要成功實現(xiàn)2050年行業(yè)溫室氣體排放量減半的目標，辦法就是讓飛機不斷變輕。好消息是，索爾維已經加入戰(zhàn)斗，助航空業(yè)一臂之力！
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