2021年，二氧化碳排放峰值和碳中和首次被写入中国政府工作报告后，正在进行的关于碳中和的两会再次成为热门话题。全球变暖导致气候风险越来越高，实现碳中和是当今世界最紧迫的使命。从全球碳排放总量来看，航空业其实并不是超级碳排放大户，但绝对是碳减排的“困难户”。随着飞机数量的增加，探索和完善各种节能减排措施，实现航空工业碳中和的既定目标，仍然是一项具有挑战性的任务。

增材制造赋能航空业全生命周期碳中和。

卢秉恒院士指出：“未来中国的制造业将分为三个部分：中材、减材和添材”。特别是在航空领域，增材制造具有独特的优势，如减轻飞机重量、成形复杂零件、实现零件的集成化等。已显示出巨大的价值和广阔的应用前景。国产大型客机C919的部件采用增材制造技术加工中央翼线；波音787梦想飞机有30个零件采用增材制造技术制造；GE先进航空发动机GE9X三分之一以上采用增材制造，如图1所示。

图1 GE公司35%航空发动机GE9X的增材制造

当我们从发展的角度考虑航空产品设计制造、航空运输、产品维修的整个产品生命周期时，增材制造技术的特点决定了它在碳中和方面比传统制造具有相当大的优势。

(1)设计和制造

1.不需要开模快速迭代。增材制造技术最突出的优势是可以直接从计算机图形数据生成任意形状的零件，不需要机械加工，也不需要任何模具，这将大大减少迭代过程，缩短产品开发制造周期，显著降低开发过程中的能耗。北京航空航天大学的王华明教授曾经说过，中国使用增材制造技术打印C919飞机的驾驶舱窗框只需要55天，而欧洲一家飞机制造公司说，他们生产同样的东西至少需要2年。中国通过使用增材制造技术，大大缩短了生产周期，提高了效率。

2.净成型，材料利用率高。在增材制造中实现碳中和的关键途径之一是减少每个零件、部件和产品所用的材料。增材制造属于净成形。与传统制造相比，切、铣、磨产生的废料大大减少，最终产品的材料利用率大大提高。另外，通过拓扑优化，格结构，格结构等。也能达到节省材料的目的，如图2所示。

图2 (a)飞机机翼拓扑优化(b)发动机薄壁网格填充

3.功能结构整合，减少加工和组装流程。增材技术不需要传统的工装夹具和多道加工工序，可以在一台设备上快速准确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现零件功能和结构的一体化，大幅减少加工工序和装配工序，实现制造过程的低碳目标。

(2)空运

1.减轻重量，降低油耗。对于航空装备来说，减重是其永恒的主题。减重5%可以节省20%的油耗。增材制造可以通过减轻飞机零部件的重量来降低运输过程中的能耗。

2.提高发动机燃烧效率，降低油耗。在发动机内部，增材制造技术完成了燃烧室和许多结构元件的制造，使得发动机更加简洁、轻便、紧凑，这使得它仅通过设计提高燃油燃烧效率就能节省15%的燃油。

3.按需打印，减少能源浪费。按需印刷的现场制造减少了整体能源浪费和碳足迹。装配、运输、物流和储存等环境成本几乎被消除，从而提高了能源和资源的利用率。

(3)维护

1.循环利用，绿色低碳。增材制造可以通过粉碎技术实现废旧零部件的再利用，实现航空制造业向循环经济发展。比如美国MolyWorks的技术思路就是将金属印刷废料转化为优质粉末。同时，公司提出了“移动代工厂”的业务发展模式，即将金属废料在生产地就地消化转化为优质粉末。

2.就地维修，避免零件报废。基于增材制造的逐层制造特性，可将受损零件视为特殊基材，在受损部位通过激光立体成形恢复零件形状，性能满足使用要求，从而实现零件制造过程的良性低碳循环，节约生产新材料、新零件所消耗的能源。比如涡轮叶盘零件，当盘上某个叶片损坏时，只需要采用增材制造技术对损坏的叶片进行修复，就可以恢复叶盘的功能，避免整个涡轮叶盘报废。

3.提高零件性能，延长使用寿命。通过优化零件的结构，使零件的应力能够呈现最合理的分布，降低疲劳裂纹的风险，从而延长使用寿命，减少碳足迹。比如美国F16战斗机上用3D技术制造的起落架，不仅符合使用标准，而且平均寿命是原来的2.5倍。

未来方向建议

为进一步提升增材制造实现航空工业碳中和的能力，提出以下发展方向。

1.材料微观结构优化。通过材料基因组建立专业数据库，实现选材智能优化。通过建立成分、工艺、显微组织和性能之间的内在联系，可以根据材料的性能设计出满足碳中性要求的显微组织。

2.结构和多学科拓扑优化。引入多物理驱动的体积设计，将多尺度特征和各种类型的材料进行数字化集成，以保持必要的力学性能，实现结构和功能的一体化，从而降低材料消耗，减轻零件重量。

3.人工智能和数据孪生技术的结合。集成设备或技术，如过程监控、信息感知、机器学习、人工智能、数据库等。将工业互联网融入增材制造的数字化双胞胎，通过云平台实现数据和模型的共享和分析，完善增材数字化生态系统。增材制造可以在飞机零部件制造的各个环节起到降碳的关键作用。