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以市场价值创造角度看待3D打印对航空业的影响与发展

时间:2020-03-08 21:35 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃

      本文作者以市场价值创造的角度,整合现有3D打印技术对整个航空业影响的相关信息,对航空业的产品-客机进行分析。希望通过此文,对致力于航空制造或对此领域有兴趣的读者有所启发与收获。

block 航空业的产品—客机

     客机是用来载人的交通工具,也是目前普通人能够使用的最快捷的交通工具。北京到上海只需要2个半小时,支付几百元的机票,就可以享受这趟数千公里旅程。实现了古人“一日千里”的理想,这是航空业经过数百年发展积累的结果,也是其价值的体现。

达美航空公司运营的空客A319客机

达美航空公司运营的空客A319客机

      客机作为一个已经市场化的产品,其价值影响链是这样的一个顺序:飞机制造商是飞机的设计者制造者,完成飞机制造以后,以一定的价格将飞机卖给航空公司或者租赁。航空公司得到飞机以后,客机就是其盈利的工具。在一架飞机近20年的使用时间里,通过给旅客提供航程服务,获得收益。而对于普通乘客而言,只需要支付票价,就可以享受特定的航程。这就是对客机这一产品价值链的简单表述。

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基于这样的价值链条,可以反向推理一下对于客机设计的要求:

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在这个“需求链”中,如何帮助航空公司降低运营成本成为关键。与航空公司的运营成本相关的因素有很大,比如管理成本,营销广告,人员薪资成本等,还有航线设置等非产品因素,在产品本身方面大体有以下几个:

  1. 飞机的安全性舒适性:安全的飞机人们才敢乘坐,乘坐体验好,人们更愿意选择。
  2. 燃油的经济性:飞机靠航空喷气发动机驱动,飞行时消耗大量的航空燃料,在近20年的运营时间里,燃油花费的费用数亿元,甚至超过购买飞机的价格。想要降低飞行成本,就需要飞机的“单位里程×单位个人“的燃油消耗更少,才能降低燃油产生的成本。要想实现这个目的,就需要从两个方面入手。一个是提高航空发动机的燃烧效率,同样多的燃油能够飞更远的距离。另一个是减轻飞机本身的重量,将更多的有效载荷用来运输更多的乘客。所以飞机就越造越大,一架飞机上,载人的数量也在不断的增加,直到达到运营平衡。
  3. 低的维护成本:在飞机运营时间里,飞机的各种部件要非常可靠,不需要花费太多时间与成本在飞机的维护上。

block 飞机的设计制造周期

       基于航空公司这3点大的需求,对于任何一个飞机制造商的飞机设计部门而言,就必须考虑进去。 用一句经典的话来讲:“飞机每减少1g的重量,就给航空公司带来了数万美元的经济价值。” 飞机的设计制造是一个相当复杂的流程,这里简单的分为几个步骤来理解。

设计环节
一架飞机由数百万个零部件组成。简单规则的部件,可以按照传统的设计制造方法实现。而一些异形复杂部件由于其加工难度大甚至无法加工,只能拆分成多个部件,按照总体功能要求,逐一设计,并将设计数据传递到制造环节,按照这样的设计思维,每个拆分的部件因为需要组装性结构,就会产生多余的结构重量,数量众多的部件直接导致飞机设计重量增加。

制造环节
为了能够加工,零件在设计上被大量的拆分逐个加工,为了保证最后质量,对每个部件的加工精度要求都很高。航空公司就需要购买使用不同的高精度的加工机床,来加工各种结构,还需要聘请专业的机床操作人员来操作机床加工,成本自然也就变的很高,制造过程中要去除大量的材料,造成的材料的浪费,时间上也浪费很大。

组装环节
数量众多的零件,带来了巨大的组装工作量,飞机制造商需要聘请大量的工人来组装飞机部件,增加了这一环节的时间。零件数量的增加,也可能导致可靠性的降低,飞机本身的减重设计用减材加工的方式,需要去除大量的材料,导致材料的浪费。

测试优化
数量众多的零件,带来了更多的飞机测试实验,以保证每一个零部件的可靠性,一台发动机需要测试数年,才能投入市场,这大大增加了飞机开发的设计周期。

定型供应
测试定型以后,飞机制造商需要将不同的零件分发给自己的零件供应商,由此产生了大量的商业协作。某种程度上也增加了飞机制造的成本。

运营维护
飞机设计完成交付给航空公司,运营过程中产生维护,需要数量众多的备用零部件,在飞机维护时以方便更换维护,对于飞机维护人员,也需要仔细分析众多的零部件,找到真正原因,这导致对维护人员的要求变得很高,航空公司需要花费高价培训维护人员。

在分析了以上传统设计流程以后,加入3D打印技术运用,看给客机的设计制造产生了什么影响。

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通过对比,可以很明显的看到3D打印技术对客机的设计制造产生的巨大影响,其产生的价值,完全符合航空公司对客机的要求。从带来的好处来看:

  1. 更少的材料浪费
  2. 时间周期的缩短
  3. 燃油效率的提升
  4. 飞机重量的降低
  5. 人力成本的减少
  6. 更大的利益占比
  7.  更高的使用可靠性

对于使用3D打印技术完全融合在飞机设计制造的供应商来说,新的技术必然带来新的挑战:

  1. 增材制造新材料的成本相对高,需要想办法降低材料成本。
  2. 对设计/制造/测试/管理等公司人员都需要重新培训,对航空公司的维护人员/飞行员等也需要进行一定的新培训来适应这一技术带来的变化,而不单单只是设计环节。
  3. 基于分层制造的增材制造技术,大部件打印时间长,需要改进优化增材制造的方法,或者与传统铸造技术等方式结合,提高零件制造的速度,降低成本。

block 3D打印在航空业客机设计制作中的运用

到这里,对于3D打印对航空业产生的影响,已经有了基本的概念。目前在客机领域,3D打印的应用一个是航空发动机,一体化设计减轻重量,提高燃油效率,其他部分分为重要受力结构件和非重要单结构件,通过拓扑优化实现减重。

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block 航空业在3D打印应用方面未来的发展-人才培养

       在充分理解了这些行业运用以后,可以看到航空业在3D打印应用方面的发展趋于成熟。随着国际上大的航空公司在3D打印应用的不断推进,比较重要的是设立相关的专业来培养3D打印相关的人才,充分储备行业新人才,才有可能打破原有的设计思路,以适应新技术的设计理念来设计属于未来的客机。尤其是在拓扑优化与网格微晶化结构设计方面,以及DfAM设计理念的掌握,需要大量的实践积累,才能保证设计出来高质量的产品。


林传春
在3D打印行业从业多年,一直在3D打印技术方面以DFAM的设计思维做实践运用立志推广3D打印技术的运用,希望让更多人感受到3D打印带给人们的价值。

(责任编辑:中国3D打印网)

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