航空制造技術是航空產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的基礎技術，涉及產(chǎn)品的設計、制造、管理及售后服務全過程。它集機械、電子、光學、信息、材料、生物科學和管理學為一體，構成多學科交叉、技術密集的技術體系。航空制造技術對提高飛機可靠性、減輕結構重量、延長使用壽命、縮短研制周期、提高經(jīng)濟可承受性起著至關重要的作用?？梢哉f，飛機的發(fā)展對航空制造技術提出了明確的需求，而航空制造技術的飛躍也促進了飛機的升級換代。

航空發(fā)展史很大程度上是飛機性能改進和成本減小的歷史。而成本減小的歷史是曲折的，有時會因為制造技術的進步成本有所增加。正如碳纖維增強塑料的出現(xiàn)，使高速加工大型和復雜金屬結構件制造技術回到了勞動密集和昂貴手工鋪放和裝配時代，就像回到了鈑金制造時期。隨著圍繞碳纖維性能進行結構和設計優(yōu)化改進后，工業(yè)部門實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)。對于大批量的大型且簡單零件的制造來說，自動鋪絲代替手工鋪放的投資是合理的。隨著裝配自動化的實現(xiàn)，大批的鉆孔、安裝緊固件以及檢測零件尺寸和缺陷的工作實現(xiàn)了自動化，但是碳纖維帶來的挑戰(zhàn)僅僅剛開始。

其一是浪費問題。金屬坯料的加工有時要去除90%或更多材料，但是廢料是可回收的且原材料的大部分價值可恢復。碳纖維回收還處于發(fā)展早期階段，到目前為止恢復的纖維只能用于低價值應用，如道路、汽車和飛機內(nèi)飾。

其二是可變性。對于復合材料來說，材料和零件的制造是同時的。零件中的纖維直徑和樹脂數(shù)量會發(fā)生變化，足以造成零件連接時的累積誤差，因此裝配時需要耗時的調(diào)整配合和增重墊補。

例如，在F-35上，結構和碳纖維蒙皮邊緣和內(nèi)側在裝配時通過最后的精加工來確保外模線臺階的相當高精度公差，從而維持隱身性能。同樣的技術估計在未來民用飛機制造中也需要，設計者正在通過類似最小化表面波度、臺階和間隙努力實現(xiàn)機翼和尾翼層流減阻。

隨著偏差自動控制，碳纖維尺寸可變性是一個挑戰(zhàn)，采用更多整體、共固化結構取消了零件數(shù)量、裝配臺階和誤差累積，同時機器人也能減少變量的產(chǎn)生。飛機裝配生產(chǎn)線上的機器人不像汽車生產(chǎn)線上所使用的，不僅大且工作時間長，是專門設計的可編程機器，用于機翼蒙皮自動鉆孔或準確且可重復連接機身和機翼部件。

從鉆孔到連接，機器人已經(jīng)擴展應用到焊接、密封、防水試驗、噴漆和光整，甚至在機身內(nèi)安裝支架。如F-35項目使用工業(yè)機器人進行噴漆和隱身涂料噴涂，代替以前的人工勞動，避免了大量返工帶來的經(jīng)濟問題。

工業(yè)化的結果是更多可移動、模塊化和柔性機器人進入裝配生產(chǎn)線，尤其是開發(fā)能夠與人類合作完成復雜任務的系統(tǒng)。例如使用機械外骨骼幫助技術人員運送重負載或在難操作空間工作。用于大型結構件能夠承擔大批量可重復任務的多機器人裝配系統(tǒng)以及類人機器人已經(jīng)進行了測試。

碳纖維復合材料正促使制造項目提高自動化程度

碳纖維復合材料的出現(xiàn)還產(chǎn)生另外一個問題，那就是引起鋁腐蝕，這兩種材料是在航空航天中應用最多的，但不能互相接觸，這使得昂貴的鈦合金獲得應用，用于連接復合材料結構，但鈦合金的應用帶來原材料和加工成本的升高。

輕量化鋁鋰合金用于空客A350和龐巴迪C系列

為了降低787飛機成本，機體結構采用了重量15%高強度合金，其中用涂層保護的鋁合金零件代替鈦合金，如座艙窗框和座椅調(diào)節(jié)導軌。但是工業(yè)部門最大的動力是降低鈦合金零件的買飛比。

買飛比是所購材料的重量和成品零件重量之比，一般來說大于20:1，787飛機上的關鍵零件達40:1，這意味著超過95%的原材料去除掉且必須回收。這樣一種狀態(tài)驅(qū)動制造商開發(fā)精密鍛造近無余量成形工藝，該工藝僅需要少量的加工，不僅節(jié)省加工時間且減少浪費材料。類似的近無余量工藝還包括線性摩擦焊，可使簡單的鈦合金坯料熔合為復雜零件，從而減少加工量，避免浪費。

獲得最大關注的近無余量工藝是增材制造或3D打印技術，該技術能夠制造復雜、高性能金屬零件，無需工裝，只需少量或無需精加工。在航空航天應用增材制造技術，不僅僅是從3D計算機輔助設計文件打印一個零件，還需要提供相當于鑄造或鍛造零件的性能，這個難度是很大的。粉末金屬質(zhì)量、零件中殘余應力、打印零件的機械性能和表面光潔度都是要克服的難點。

對于航空航天3D打印來說，確保金屬粉末質(zhì)量是一個挑戰(zhàn)

對于航空航天工業(yè)來說，現(xiàn)有零件采用增材料制造意義不大，除非生產(chǎn)已停產(chǎn)的配件。增材制造對于設計靈活性更有價值，可減少零件數(shù)量，如CFM Leap-1發(fā)動機燃油噴嘴，通過改進設計用一個零件代替復雜的裝配件。航空航天制造商對于增材制造還很謹慎，但金屬3D打印技術在渦輪發(fā)動機和火箭發(fā)動機上的應用正在增長，各種領域的開發(fā)和纖維增強塑料3D打印將會產(chǎn)生長期影響。

使用增材制造生產(chǎn)優(yōu)化的空客A350支架

未來，仿生零件拓撲學、混合材料增材制造，以及在零件上打印嵌入式電子元件和配線這些技術，一旦變得成熟將對航空航天應用產(chǎn)生巨大影響。小型無人機可采用常規(guī)增材制造技術，可能不久就可按需打印，如根據(jù)指定任務進行定制，一晚上就生產(chǎn)出來。該技術可能用于大型飛機以及更復雜和關鍵零件。目前增材制造金屬零件已經(jīng)在航天器上飛行，飛機上應用的首個零件正在進行評估。

柔性制造技術，如增材和機器人將繼續(xù)發(fā)展，特別是在飛機生產(chǎn)速度不確定時，將幫助制造商渡過不可避免的市場周期，避免經(jīng)濟繁榮與蕭條時雇傭和解聘雇員帶來的不好聲譽。這些技術長期來看可提供更經(jīng)濟可承受性的航空產(chǎn)品，但也只有在生產(chǎn)速度提升的繁榮時期，制造商才會在這些新技術上進行昂貴的投資。