航空航天：金属切削：高科技与降低成本之间的平衡之道

航空工业正处于上升通道。到2023年中期，新冠疫情的影响将烟消云散，全球飞机起降架次甚至将超过创纪录的2019年水平。此外，据估计，到2042年，全球机队规模将几乎翻一番！因此， 航空业前景光明， 对航空业从业人员来说也是如此。到 底 如 何 ？？ 这 份 白 皮 书 给 出 了 答 案 。 飞机如何为全球贸易插上翅膀 从长 远 来 看，新 技 术（ 如 电 动 飞 机 或 可 持 续 航空燃料）将减少二氧化碳排放，使航空业对许多人更具吸引力。最后最重要的是，许多国家放宽航空管制将进一步加剧 航空公司之间的竞争，最终将导致价格下降，从而带来更大的需求。这些当然是预测，但很有可能很快成为现实。 未来20年，航空运输量将大幅增加—这不仅仅是因为假期出行！空客和波音预计，到2042年，客机和货机的需求都将激增。造成这一现象的原因有很多。到2040年，世界人口预计将增加20亿，达到97亿，这反过来将导致对流动性的需求增加。与此同时，越来越多的人将能够负担得起这种快捷交通。这是因为中国、印度和巴西等新兴市场的繁荣将增长，对航空旅行的需求也将随之增长。 未来20年将有42500架新飞机投入使用 据 两 大 飞 机 制 造 商 空 客 和 波 音 预 计，未 来 2 0 年 将有 约 4 2 5 0 0 架 新 飞 机 投 入 使 用 。空 客 公 司 计 算 如下：目前，全球机队中只有约四分之一是最新一代 的 节 油 飞 机 。为了 实 现 航 空 业 降 低 二 氧 化 碳 排放 量 的目标 ，必 须 更 换四 分之 三 的 现有 飞机 。波音公司的计算略有不同：根据这家美国制造商的说法，新交付的飞机中约有一半将取代旧机型，另一半将扩充其余航空公司的机队。 2017年至2023年每周航班。冠状病毒爆发三年后，全球航班数量已经恢复到2019年的水平，甚至更高。图表：Walter AG 未来交付的大部分飞机将是窄体飞机，因为它们经常用于中短途飞行。另外预计还将有7440架宽体飞机、1810架支线飞机和925架货机。 飞机制造商的订单已经排满了未来多年的生产计划 前景光明，但并非没有阴霾 未来航空运输量将显著增加—这不仅仅是因为全球旅游业的发展！空客和波音预计未来20年客机和货机的需求量将大幅增加约42500架。 飞机制造的未来看似一片光明。然而，对于原始设备制造商及其供应商而言，并非完全没有阴云。所谓的“脱碳压力”，即减少二氧化碳排放的压力，将导致由所谓的“轻质材料”制成的轻质部件得到更深入的发展。除了铝和钛，还包括纤维增强复合材料。此外还有难以加工的超级合金，例如Inconel。这些材料不仅用于结构部件，还用于发动机、起落架和控制系统，但代价不菲！例如，与钢材相比，材料和工具成本明显更高，加工时间也更长。因此，成本效益对于原始设备制造商和供应商来说变得越来越重要。 由于每家制造商的年生产能力不足千架飞机*，因此飞机制造商的订单在未来许多年内都将被填满。 对于金属切削机械和工具制造商而言，航空航天领域（主要是飞机制造）是一个潜力巨大的领域。 门户网站Statistika(https://de.statista.com/...)预测，空客将在2023年交付735架飞机！根据同一来源，波音将只交付528架飞机。 未来成功的方程式：更轻的重量，更高的成本效益 为了优化轻质材料的加工成本，需要(并可能)做出哪些调整？创新工具和工艺能带来什么贡献？在复杂轻金属部件的生产中，增材制造和其他制造工艺扮演什么角色？本白皮书将为您解答这些问题。精彩见解和展望正等着您。快来加入吧！ 航空航天—轻金属的加工挑战 第1章飞机制造—个庞大的世界 第2章材料—在减轻重量和提高安全性之间取得平衡 第3章高端塑料是否宣告了金属时代的终结？ 第4章高性能，低成本 第5章展望与趋势—从增材制造、增强现实到人工智能 第1章：飞机制造—一个空间庞大的世界 数百万个部件—耗时四个多月才能制造完成 „制造一架客机所需的人力物力也是惊人的。波音最大的工厂位于美国华盛顿州西雅图附近的埃弗雷特。波音公司在这里占地约415公顷的工厂、生产车间、喷漆车间、道路和滑行道以及办公室雇佣了超过30,000名员工。“ 飞机由数百万个零部件组成。根据配置和设备的不同，空客A350大约有265万个独立零件，而波音787甚至可能拥有多达300万个零部件！组装一架完整的飞机需要四个多月的时间。 空中客车公司三大基地之一位于德国汉堡，约有14000名员工从事A350XWB、A320和A330型号的飞机结构组装以及A320的最终组装。飞机的零部件来自世界各地，通过货机、轮船或卡车运往汉堡。 大型客机主要由铝、钛、钢和纤维增强复合材料制成。 铝制结构件等轻型部件通常由实心材料加工而成。这意味着需要去除高达95%的材料。 客机内部的空旷空间图片：Adobe Stock 趣闻—航空领域的一些最高级词汇 •人类首次尝试飞行：大约在1010年，英国僧侣艾尔默·马尔姆斯伯里（EilmerofMalmesbury）用双臂和双腿制成的翅膀从塔上跳下，滑翔了大约200米，但在此过程中摔断了双腿。 现代涡轮风扇发动机（如图所示）由多达10万个独立部件组成。图片：Adobe Stock •最大的航空公司：美国航空—拥有1000多架各种类型的飞机 巨头纷纷退役 •最小的航空公司：厄瓜多尔的Sarayahu Air只有两架螺旋桨飞机。 四引擎宽体飞机（如空客A380和波音747）的退出标志着航空业的一个显著趋势。航空业正从枢纽辐射式系统转向点到点连接，而之前乘客往往需要通过中心枢纽转机。因此，双引擎远程“窄体”飞机更适合在众多支线机场之间 •最准时的航空公司：来自拉脱维亚的波罗的海航空—90%的航班准时。 •最短的定期航班：洛根航空提供从帕帕·韦斯特雷到苏格兰海岸奥克尼群岛韦斯特雷的2.8公里航班。 提供直达连接。另一个原因是：双引擎飞机的运营成本通常更低。例如，空客A321-XLR比A321系列的标准机型航程更远，可搭载更多乘客。同时，其运营成本也大大低于A380或747等双层客机的运营成本。此外，现代双引擎机型使用更高效的发动机，从而降低油耗。 •最长的直飞航班：新加坡航空从新加坡飞往纽约，飞行时间18小时45分钟，飞行距离约16700公里。 少即是多 •最昂贵的航班：阿提哈德航空从纽约到孟买单程头等舱票价为38000美元，包括真皮沙发、带按摩功能的扶手椅、柔软的双人床、32英寸纯平电视、管家和其他各种设施。 重量越轻，能源效率越高，航程也越长。每一克都很重要！例如，当联合航空公司的机上杂志改用更轻的纸张时，该公司每年节省了超过17万加仑的燃料。我们需要的是能够显著减轻飞机重量的特殊材料和制造工艺。只有这样，才能提高飞行性能，降低油耗，二氧化碳排放量。在下一章中，我们将仔细研究飞机制造中使用的轻质材料及其特殊性能。 •最便宜的机票：因航空公司而异—5欧元以下即可从汉堡飞往布鲁塞尔，或从纽伦堡飞往布达佩斯。 •受欢迎（或不）的座位:最受欢迎的是6A；最不受欢迎的是31E， (无论飞机类型和排数如何。) 第2章： 材料—在减轻重量和增强安全性之间取得平衡 原始动力：起落架组件承受着巨大的压力—其结构和材料必须足够稳定。 挑战2：热负荷 飞机材料必须满足两个相互矛盾的要求：一方面，它们应该尽可能轻，以减少燃料消耗并提高飞行性能。另一方面，它们必须具有很强的弹性，以承受飞机所承 受的巨 大 力量，特 别 是 在 起飞和 降 落 期间。根 据根据材料的使用位置和用途（例如机翼或发动机），挑战可分为两类。 飞机 发动 机 是非常复 杂的设备，由数千个 独 立部件组 成 。其中一 些 部件 在发动 机 的 “ 热端 ”承受着巨大的 热 量 。这 是 因 为 燃 料 燃 烧 时 产 生 的 气体 温 度 高达13 0 0°C。为了承受 这种 “ 地狱 之火”，发动机部件由所谓的“超级合金”制成，能够承受高温而不会损坏。 挑战1：机械力 飞 机 部 件 在 起 飞 、着 陆 和 飞 行 过 程 中 必 须 承 受 极端 的 力。这 些 力主要 是 空 气 阻 力、升力以 及 发动 机推 力 产 生 的 空 气 动 力 。根 据 飞 行 速 度 的 不 同 ，这些 力 可 能 非 常 大 。湍 流 也会 导 致 材 料 受 到 冲 击 和振动，而腐蚀会降低强度。简而言之：机械力多种多样，会导致应力、材料疲劳、变形甚至断裂。 一个热门话题，不仅限于发动机 然而，热应力不仅会影响发动机部件，还会影响其他受热循环影响的部件。例如，在飞机起飞和降落期间，外部温度可能达到+120°C或更高。在飞机内部，温度变化范围在-50°C到+50°C之间，具体取决于高度和负载。空气与飞机之间的摩擦也会产生热量，必须及时散热，防止过热损坏。 在选择材料时，必须考虑这些挑战。在减轻重量、稳定性和抗性热、冷和腐蚀。 材料—飞机制造的“神奇五侠 铝、钛和合金钢、耐热超合金以及越来越多的所谓“纤维增强复合材料”，例如碳纤维增强塑料（CFRP）。这五种材料组在同时赋予天空巨无霸稳定性和轻量性的方面最为重要。 在飞机部件方面，“全铝！”适用于约60%的 机身框架、门框和窗框、轮辋、机翼肋、机身蒙皮、外壳…像空客A320这样的现代飞机约有60%由铝或铝合金制成。对于外部部件，合金通常镀有纯铝。这是因为纯铝具有高度耐腐蚀性。为了进一步减轻重量，工程师甚至用铝代替铜来制作电线！ 轻质、耐腐蚀、经济：铝合金 大部分飞机部件由铝合金制成。原因如下： •轻质：铝的密度为2.75 g/cm3，非常轻。这降低了飞机的整体重量，提高了飞行性能和燃油效率。•稳定：与铜、镁、锰和锌结合后，相对较软的铝成为高强度合金，用于制造稳定部件。•防锈：铝合金形成一层氧化层，可防止腐蚀—非常适合经常暴露在环境因素下的飞机。•易于加工：铝合金易于加工和成型。这使得生产复杂形状成为可能。•导电：良好的导热性有助于冷却。•可回收：铝合金可回收性高，从而改善航空业的生态足迹。•价格低廉：目前一吨铝的成本 (到2023年) 将低于2000欧元。 翼肋 (翼肋) 是飞机机翼内的结构部件。它们主要由铝锻造合金制成，与纵向框架或 (纵梁) 共同构成机翼蒙皮的框架。 图片：Walter AG 铝合金—它们在哪里 航空用铝合金主要来自2xxx、6xxx和7xxx系列。每个系列都有特定的属性，适用于特定的应用： 2xxx系列：这些合金， (如2024，) 以高强度和卓越的抗疲劳性著称。它们通常用于机身和支撑结构，以吸收高负荷。 6xxx系列：6061等合金用途广泛，具有良好的机械性能和耐腐蚀性。它们经常用于不太重要的结构部件和一般应用中。 强度堪比钢材，但重量只有其一半：钛合金 但好东西总是要付出代价的。钛比其他材料贵很多倍。目前一吨钛的价格为(截至2024年10月，)一吨钛的成本约为5万欧元。相比之下，一吨钢的成本约为1000欧元，而同等重量的铝的成本约为5000欧元。 几乎没有任何其他材料比钛更适合用于飞机制造。它的抗拉强度高达 (1380兆帕，)同时具有极强的耐腐蚀性和耐高温性。但最重要的可能是，钛的重量只有钢的一半左右！这使得钛合金可以作为发动机、结构部件或起落架，因此钛合金是首选材料。 飞机机身中的结构部件与安全息息相关。它们以极高的精度制造，即使在重载下也不得翘曲。大约14%的结构部件由钛合金制成。 图片：Walter AG 高飞钛—飞机制造的理想材料 起落架支柱连接机翼和起落架，并与起落架主缸一起起到缓冲作用。它们通常由高强度Ti6Al4V钛合金制成。 飞机制造使用钛有充分的理由： 图片：Walter AG •高抗拉强度: 钛的强度与钢相当，但重量却轻了约40%。•卓越的耐腐蚀性: 钛表面有一层氧化物保护层，可防止腐蚀。这对飞机来说是一个宝贵的优势，因为飞