Minska koldioxin i konstruktionsskomponenter för flygindustrin
Den uppgift som flygtillverkare står inför under det kommande årtiondet är att minska utsläppen av växthusgaser.”Flygindustrin kommer att vara i fokus, därför att minskningen av koldioxid för landtransporter kommer att minska relativt snabbt,” förutspår Stuart Dawson från Storbritanniens Advanced Manufacturing Research Center (AMRC).Den uppgift som flygtillverkare står inför under det kommande årtiondet är att minska utsläppen av växthusgaser.
”Flygindustrin kommer att vara i fokus, därför att minskningen av koldioxid för landtransporter kommer att minska relativt snabbt,” förutspår Stuart Dawson från Storbritanniens Advanced Manufacturing Research Center (AMRC).
ADS, handelsorganisationen för brittiska flygtillverkare, tror att flygindustrin kommer att vara den mest förorenande transportsektorn fram till 2050, eftersom flygtrafiken ständigt ökar och utsläppen från bilar och lastbilar minskar dramatiskt.
När det gäller tillverkning av flygplanskomponenter är det troligt att utsläppen minskar på längre sikt, på grund av att tillverkningen styrs om från fräsning i solida arbetsstycken och slutligen till cirkulär tillverkning”.
Tillverkare och deras leverantörer har historiskt sett försökt minska utsläppen genom att fokusera på sin energiförbrukning. Men en detaljerad analys av livscykel som utfördes av High Value Manufacturing Catapult förra året, visade att tillverkarna själva bidrar mycket lite.
Med data som samlats in från flera av Storbritanniens största flytplanstillverkare, upptäckte forskarna att mer än 90% av energin i ett färdigt plan är begränsat till materialet.
"Det har varit en blind fläck för branschen, säger Dawson , ansvarig för Future Propulsion and Sustainable Manufacturing, liksom vätgas.
"Tillverkare inom flygindustrin fokuserar mycket på energieffektivitet i fabriken. Men analysen visar att det inte är rätt plats att fokusera satsningarna.”
Titan, aluminium och kolfiber är de viktigaste materialen som används för de flesta komponenter inom flygindustrin, de är dock mycket energikrävande, särskilt titan som ofta produceras i länder såsom Ryssland, Kazakstan och Kina, där kol och gas är de dominerande energikällorna som används.
Den totala bränsleförbrukningen för ett flygplan genererar ca 100 gånger högre utsläpp än det som genereras under tillverkningen, materialets låga vikt kompenserar de utsläpp som frigörs vid tillverkningen.
Men tillverkningen genererar ändå betydande utsläpp. För att minska utsläppen anser Dawson att tillverkarna måste fokusera på att förbättra "buy-to-fly ratio", proportionen av titan, aluminium och kolfiber i de färdiga komponenterna.
Med nuvarande tillverkningsmetoder blir så mycket som 90% av en standardkonstruktion i aluminium och 75% i titan helt enkelt bortfräst.
"Det går åt 220 kw att producera ett kilo titan, och om du har ett buy-to-fly-förhållande på fyra till ett, så har du förbrukat 165 kw i bara spån, förklarar Dawson.
För att undvika detta krävs att man använder sig av s.k. "Near-Net-Shape" teknik, som gjutning och additiv tillverkning.
Konstruktionsdetaljer som pyloner tillverkas idag med smidning, metallen värms tills den blir formbar, pressas sen till en ungefärlig form och sedan fräses till önskad form.
Det är först under de senaste åren som nya gjutningstekniker har gjort det möjligt att tillverka gjutgods i titan, som är tillräckligt starka för att användas inom flygplanstillverkning.
En metod innebär att kyld argongas tillförs över gjutningen, så att komponenten kyls ner tillräckligt snabbt för att förhindra att stora kristallkorn bildas, som annars skulle minska brottsegheten.
”Nya kyltekniker som förhindrar att kristallkorn bildas kommer att göra det möjligt att konkurrera med smidning på mekaniska komponenter.”
Tillsynsmyndigheterna måste dock intyga att komponenter som tillverkas med "additiv tillverkning" är säkra att användas inom flygindustrin, även om Dawson tror att Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), som är en svetsmetod, snart kommer att visa att de nödvändiga mekaniska egenskaperna kan uppfyllas.
”Det ligger i framtiden och många stora företag investerar redan i denna metod, tack vare möjligheten till near-net-shape.”
Omställningen kommer att minska den stora mängd fräsning som krävs, men kommer att göra det som återstår mer komplicerat.
Ytan och formen på near-net-shape gjutgods eller additiv tillverkning, kommer att vara mindre förutsägbar än bearbetning från ett solitt arbetsstycke, så varje bit kan behöva kontrolleras före fräsningen. Det kan göras manuellt eller automatiskt med en mätgivare.
Arbetsstycket kan även bli mindre stabilt och risk för vibrationer, vilket orsakar problem med fixtureringen. Slutligen kan de ha en ojämn yta, som måste finbearbetas.
Därför är det viktigt att industrin agerar för att övervinna den växande bristen på kvalificerad arbetskraft.
”Längre tillbaks i tiden behövdes hanverksskicklighet för operatörer, nu rör det sig mycket mer mot tekniskt kunnande,” säger Dawson. "Ett sätt att lösa detta är att öka automatiseringen och på så vis överkomma bristen på kvalificerade operatörer."
Men han anser att de nationella regeringarna också bör agera för att öka antalet kompetenta tekniker och ingenjörer, om inte så blir fallet bör flygplanstillverkare själva utbilda personal.
Bortsett från "near-net-shape" tillverkning kan även återvunnet material användas för att minska energiförbrukningen. Återvunnet aluminium och titan förbrukar lite energi jämfört med ny metall.
På längre sikt skulle detta kunna innebära att flygplanstillverkarna skulle ansvara för nedmontering och återvinning av flygplan, när de ej längre är i bruk.
Dawson kan tänka sig ”cirkulära fabriker” som kombinerar montering och demontering, tillverkning av återvunnet material och återvinning.
Detta kan innebära ett slut på flygplanens ”kyrkogård” i Arizona-öknen, som fortfarande används av US Air Force och flera amerikanska flygbolag, för att parkera flygplan som ej längre används.
”Tänk dig all den inneslutande energin i de värdefulla materialen i tusentals plan som förstörs i öknen”, säger han. ”Att inte ta vara på och återvinna dessa material kan ha varit ekonomiskt acceptabelt i det förflutna, men det kommer inte att vara acceptabelt i framtiden.
