未来的航空工厂内部

在不到一个世纪的时间里——比本杂志出版的时间还短——它从基础机械工程比其他任何东西都更接近自行车制造，结合了经典的木工技能和织物工作;到首先加工和连接钢板，然后是铝板;再到现在使用人造复合材料;虽然发动机已经从简单的以活塞为基础的内燃模型发展到几代喷气机，相对短暂地与火箭技术调情，最后发展到今天的涡轮喷气机，整个系统由电线拉动的机械连杆控制，到沿着电线传输电信号，再到现在先进的电子技术，有时甚至不需要任何电线就能发送数字信号。

但我们现在正处于制造革命的风口浪尖，这可能会对航空航天产生相当大的影响。新的制造技术、先进的金属和陶瓷材料的出现，以及复合材料越来越多的使用，将意味着未来几十年的飞机工厂将与我们今天看到的非常不同:这不仅会影响他们生产的飞机的外观和操作方式，还会影响在那里工作的人所需的技能类型。”

GKN Aerospace首席执行长布里森(Marcus Bryson)在最近的一次新闻发布会上说，我们真的不知道未来的飞机会是什么样子，但我们绝对知道，我们不会以现在的方式制造它们。

GKN是一家制造专业公司，世界上大多数主要的机身和推进系统制造商都是它的客户。该公司正在进行一系列项目，这些项目体现了航空航天领域即将发生的变化。当然，其中一些项目目前正在进行中。

此前，航空航天设施主要由金属加工机床和将大片金属连接在一起的设备所主导，而复合材料在过去十年的兴起，意味着这些设备被不同的机械所掩盖:热压罐。这些巨大的腔室用来创造固化复合材料部件的树脂组件所需的温度和压力条件，将坚韧、耐用的碳纤维组件固定在塑料基体中;而且，由于整个部件——比如机翼的大截面——都需要在压力腔内，它们的尺寸简直可以是海绵状的。

微波固化将是未来的一项关键技术

GKN航空公司的马库斯·布赖森说

然而，看起来高压灭菌器的主导地位可能只是一个短暂的阶段。布赖森说:“我们认为，微波固化将成为未来的关键技术。”“我们不能再走过去的路了;在那么多的高压灭菌器中，没有足够的空间放任何东西了。”

技术总监理查德·奥德菲尔德(Richard Oldfield)进一步阐述了这一点。“高压灭菌器是复合材料制造的主要瓶颈;它们体积非常大，非常昂贵，而且速度相当慢。”我们正在寻找解决这个问题的方法。”

微波使定向热固化成为可能，这已经用于电加热工具;使用微波腔——基本上是家用微波炉的放大版(见上图)——来加热工具是这种方法的一种更高效的版本。奥德菲尔德说:“与高压灭菌器相比，你可以获得巨大的循环时间效益，而且你可以少使用约90%的能源。”

微波固化的速度使它特别适合高速率的结构，如需要快速批量制作的面板。“否则就需要大量的高压灭菌器，”Oldfield解释道。“性能会有轻微的下降，因为你是在真空环境下工作，使用不同等级的树脂。如果你只制造少量的部件，而你需要非常高的性能，你可能仍然会在高压灭菌器中在压力下固化，但对于需要大量生产的部件，以及非常大的结构，你需要巨大的高压灭菌器，但效率不高，能够在高压灭菌器外固化是非常重要的。”

奥德菲尔德说，微波固化可能从相对简单的成分开始，然后逐渐发展到包括更大更复杂的结构。“一个重要的优势是，你可以将微波聚焦在结构的一个部分，并屏蔽其他部分，所以你可以得到部分固化;然后你可以通过连接未固化的部分，将较大结构的组件连接在一起。这是用高压灭菌器固化不可能做到的，”他补充说。

另一场即将冲击航空航天的生产革命是增材制造，尽管简单地打印一架飞机的想法可能很诱人，但这不会发生。相反，Oldfield指出，我们可以期待在航空航天中看到两种类型的添加工艺。“有一种技术，比如金属丝沉积，可以快速沉积材料，使其形成需要进一步加工或加工、且没有附加功能的近净形状;另一方面则是直接使用基于粉末的工艺制造最终零件，生产出具有复杂几何形状和复杂特征的部件，这是其他任何方式都无法制造出来的。”

第一组部件与现在通过传统的固体、铸造或锻造加工而成的部件相同。“这些部件可以是大型机身部件;你不受尺寸的限制，可以制作像翼肋这样的部件，尺寸可达2立方米。“这些不需要是完整的部件;它们可以是零件，或者是锻件上的额外特征，让你降低原始锻件的复杂性。”

他说，这是由成本驱动的。他说，制造零件可能需要更多的时间，但你的加工时间会大幅减少，材料和能源的使用也会大幅减少，这一切都是为了高效利用材料和能源。

对于这些较大的部件，生产理念将使用一套技术，包括加法和减法过程。“就像今天我们有由不同工艺制造的组件族一样，我们将看到一些组件转移到加法系列中，一些组件由工艺组合制造;这将受到经济因素的驱动。我们的目标将是以最优化的方式生产传统部件。”

另一个组件家族是利用电子束或激光从粉末中生长出来的，它将完全改变航空航天的设计空间。“这不是像高沉积技术那样的互补技术;这是颠覆性的，”Oldfield说。

也许《工程师》的读者更熟悉，粉床增材制造允许制造商优化其部件的形状，将材料优先放置在使用过程中承受最大压力的区域，往往生产出复杂的、弧度很大的部件，让人联想到鸟类的骨骼。Oldfield说:“这主要是一个利用先进材料和创造先进结构概念来提高性能的机会。”

奥德菲尔德承认，这是一个处于起步阶段的过程。“粉末床的制造被限制在每边半米左右的小室里，而且速度相对较慢。但我们预测，随着时间的推移，你可以制造的零件尺寸会越来越大，速度会加快，粉末材料的价格会降低。”与所有技术一样，我们将看到一种分阶段发展的方法。”

马库斯·布赖森认为，这样的技术可以推动下一个航空发动机家族的发展，使性能得到进一步提高;与此同时，他补充说，最初为发动机部件制造开发的线沉积工艺，现在正在研究用于机身结构的工艺。

Oldfield补充说，在不久的将来，添加剂技术可以用于制造越来越复杂的机械系统，例如，从一开始就在部件中内置流体冷却通道。机械加工仍将被需要，但浪费将大幅减少，加法、连接和减法工艺将越来越多地协同使用，以创造更大的组件和系统。

但它们最大的影响可能是加快民用飞机摆脱现有结构的速度，推动新技术的引进。奥德菲尔德说:“例如，我们正在使用添加剂来制作优化版的克鲁格肋，这是我们与空客合作的层流翼前缘的一部分。”层流翼通过消除湍流气流，降低了飞机的燃油消耗;该项目是空中客车清洁项目的一部分，旨在改善商业飞行的环境状况。

新技术也将改变航空航天行业的技能配置。“所有这些技术的影响是延续了从采用复合材料开始的趋势;它使设计和制造之间的联系更加紧密，”Oldfield说。“这是一个巨大的挑战，因为你必须以一种全新的方式思考问题。我们目前有“黑金属”现象，设计复合材料部件的人没有完全摆脱金属设计原则，也没有充分开发复合材料性能的潜力;这种情况正在逐步改变，添加剂将带来类似的变化，但设计自由度要大一个数量级。”

随着新技术的发展，材料科学尤其变得更加重要，因为材料和零件是同时合成的;设计和制造领域的工程师都需要更好地理解大块性能是如何产生的，以及添加剂工艺的工作方式是如何影响它们的。“这是在一个比我们之前拥有的更广阔的设计空间中，研究可能性的艺术。”奥德菲尔德说。“这绝对是未来的工程设计师和工作中的工程设计师应该尽早、尽可能广泛地使用这些技术的一个理由，因为只有通过摆弄这些系统套件和工具包，你才能在这个领域建立正确的设计心态，并理解这些新系统的潜力。”