专栏 I 以市场价值创造角度看待3D打印对航空业的影响与发展

| 3DScienceValley · 2020/03/06

本期专栏文章，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。

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

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。

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：

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：

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。
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。
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。

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。

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：

更少的材料浪费
时间周期的缩短
燃油效率的提升
飞机重量的降低
人力成本的减少
更大的利益占比
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：

增材制造新材料的成本相对高，需要想办法降低材料成本。
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。
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。

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。

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。