专家呼吁加大自动化以满足未来飞机需求

仅商业需求未来20年即要求产能翻倍

疫情颠覆正常生活、实质停飞商业客机前，航空业预测未来20年需4万架新飞机——含飞机、直升机、空中出租车、无人机。含25-30年平均寿命退役替换量，叠加约8年积压订单。

若限制放松后航空需求恢复前疫情水平，业内专家称唯有加大自动化才能满足预测需求。

航空业与许多行业不同，因无可行替代制造工艺，人工普遍。但考量Statista记录2006-2019全球航空客运需求逐年增2.4%-8.1%（2009金融危机除外）等因素，提效势在必行。

研究者探索手工铺层自动化。但现有自动化措施已可用：装配工位投影指令、自动密封/紧固/标记/物料搬运。

“仅商业航空需求即要求有效翻倍产率，”空军研究实验室结构技术分支主管John D. Russell说。

除商用机，军方探索可消耗飞机，可能千架量产。空中出租车概念获传统航空企业与Uber等青睐，将需更多产能。

“单一案例业界反馈美国现有产能不足，”Russell说（疫情前信息），“三者若同时成真，行业必须创造性解决产能难题。听到的大替代方案是自动化提升生产力吞吐，尤其商业航空。企业研究自动化从零件制造到装配的一切改进。自动化资本支出低于新建产线。”

Russell不惊讶空中出租车因车价驱动业务模式而离岸生产。商业航空因高技能劳动力倾向坚持既有供应商关系，离岸可能性低。军用飞机显然不离岸。

20年交付4万架需年产2000架，远超疫情前交付量。

制造商工装爬坡不及需求激增造成交付积压。

消费者视航空为必需品而非奢侈品且有支付能力。

商业航司扩充航班满足灵活起飞时间需求。

波音5月1日积压5049架，空客3月31日达7650架。

疫情前，波音空客竞争复苏预期创窄体机交付记录，2019年产量同比增9.4%。Frost & Sullivan 2019年6月中报告：两巨头预计2019年生产1750+架，高于2018年1606架。

8月后机构下调数字。

《卫报》引英国航天游说组织ADS：2019年7月交付88架，同比降24%，主因737等单通道机型产量暴跌。

2019年底空客波音合计交付1243架。

行业行动提升数字。

“两巨头均大幅增资提产率，”JR Automation航空航天国防业务拓展副总裁Bill Bigot说。

2019年底汉堡空客实施A320机身高度自动化装配线。新设施含20台机器人、新物流概念、激光测量自动定位、数字数据采集系统。

除机器人，空客还在物料物流实施新方法技术：分离物流生产层级、需求导向补料、使用AGV。

同期波音终止埃弗雷特工厂四年全自动化尝试：机械臂插入777/777X两主要机身段紧固件，改回熟练机械师手工插入。机器人仍在自动“柔性轨道”系统钻紧固件孔，形成人机结合工艺。

失败努力或终有回报。波音777X生产副总裁Jason Clark对《洛杉矶时报》称：“首次深度潜入此类技术教会我们如何为自动化设计。”新工艺减轻工人磨损：Electroimpact机器处理机身装配最费体力任务——金属钻孔。重新设计用较易紧固件替代部分铆钉，进一步改善人因工程。

增产措施不全是新线与机器人。

北查尔斯顿工厂：给机械师配外骨骼减轻持续顶举应力；部署蓝牙智能扳手确保扭矩正确；用VR让机械师试用新工具。

机器人能接管手工铺层吗？

机身结构运往汉堡或华盛顿工厂前，经自动复材制造(ACM)制造：自动铺纤维(AFP)与自动铺带(ATL)。

ACM适用中大型平/微弯曲件：机身、机翼、隔框。

但中小复材件靠手工铺层，极低效、浪费材料。大问题：这些夹件、支架、工字梁、检修门可占结构重量一半、单机数千件。

“手工铺层件需裁剪、楔切、挤压，”复材顾问Les Cohen说，“买飞比达2:1：$40/磅材料实质$80/磅。”

南加大团队近期完成机械臂自动化铺层演示项目。

非自动化层面，材料改进仍有空间。行业知晓中间脱脂与最终固化耗时。快速固化树脂具备热压罐固化性能却免热压罐是答案，但尚不可用。开发新材料平均耗时5年、$1000万且无保证被采纳，挑战未解。

第四次工业革命在航空航天起步缓慢

工业4.0承诺高生产力质量，或助航空生产，但行业采纳联网数字化数据驱动世界缓慢。

“这东西刚在生产上线交付成果。我们深度参与，刚到能程序级推广、绝对影响工厂效率的点，”Electroimpact复材铺层自动化项目经理Andrew Purvis说，“数据跑通后，从数据山挖金子、钻石，真正拉升产能。”

生产质量端成熟自动化领域，Purvis说。

Electroimpact系统内建质量监测，检测技术测量AFP机一切动作。自动检测实现“持续调优”。

“系统通过监视自身动作自我校准、持续调优，”他说，“如AFP机/打印机用相机/传感器看输出：‘嘿，发现漂移，我来补偿’。”

咨询公司Maher Associates总裁Mick Maher称，受网络安全与数据管理制约，工业4.0采纳更多是愿望而非成就。

“航空航天采纳不比其他行业慢，”他说，“工业4.0尚不成熟，不能交棒。自动化是工业4.0关键组件。但如铺带/铺纤维成熟，仍有大量开发需求。”

巨大收益可期

JR Automation航空航天技术总监Randy Rounkles曾任Spirit Aerosystems，2019年初参与部署工业4.0团队。

Spirit（2005年波音剥离前身）遗留物理极限目标产率21架/月。离职前月产57架，得益于增班、增员、增自动化（特别是紧固）。

“离职前最后项目是设备利用率工业4.0数据采集，彻底改变公司对设备现状与潜能认知，显著影响未来产率资本支出。”

“涉足数字化”

全球研究将工业4.0应用航空制造，但采纳缓慢，现行生产更偏模拟而非数字，AFRL Russell说。

“企业在资产追踪等特定痛点‘涉足数字化’，鲜有厂商拥有真正企业级工业4.0环境。”

工业4.0组件现状：增材制造用于工装非结构件；部分流程机器人自动化；数据分析层面R&D将无损检测数据回溯原模型理解制造缺陷影响性能。

YouTube视频：KUKA机械臂末端滚轮铺平预浸料层，两侧夹持机器人拉紧材料。

多少手工铺层工渴望这等效“第三手”？该智能机器人单元演示由南加大机械工程与计算机科学教授Satyandra K. Gupta团队完成。基于波音、洛马、联合技术建议制件，目标评估自动化可行性。测试结果送三公司。

“当前航空航天核心挑战是劳动力短缺，”Gupta说。

机械臂铺层下，一操作员可监管多单元，不仅增产、或可省去脱脂步骤并保质量。

假设关键件100层预浸料，每3/5层抽真空脱脂，共33次。机器人工具压力可测（人手不可测），质量有保障、工艺可加速。

自动化不止一致精简。手工铺层枯燥费力。

Gupta团队耗时两年半集成机械臂末端工具、计算机视觉、力觉、AI算法、高级控制器、人机界面。演示件达15层标准环氧碳纤维预浸料。

最大挑战：实时计算机视觉集成。“让相机看清形成缺陷，”Gupta说，“（现在）机器人见皱褶会拉这边那边……”

单元遇无法解决问题，蜂鸣/邮件/短信报警人工操作员。但仅必要时。

“有时全程零故障，”Gupta说。

看，妈，不用手！（末端工具实现预浸料自动铺层）

Rego-Fix三年前新增厂房融入先进节能自然资源保护特性：特殊空气交换通风系统、木屑颗粒供暖、多级渐进式空调、“绿色”屋顶、自然与传感器控制照明并用。

空气交换系统每小时换气7次。抽取制造车间废热——主要来自机床所需大型空压机。冷月（占大部）回收废热预热室外新风循环至车间。

闭路循环水冷空压机。冷却后水变热，储于1849加仑(7007升)水箱。经办公区地暖系统进一步供暖。

390kW木屑颗粒供暖系统替代化石燃料。颗粒为当地常见木材家具业副产品。系统极少耗颗粒，仅作极寒备用。

夏季节能渐进式三联空调配合地暖与空气交换系统制冷。空气交换抽热，冷水循环地暖。温度超阈值，渐进式空调一级启动备份；超限二级启动；三级再启。降温时逆序关闭。

外墙全保温。屋顶非典型设计，高保温性。“绿色/种植”屋顶覆盖土壤实草皮。除保温，收集雨水储13200加仑(50000升)箱供厕所冲洗。

综合供暖制冷提供车间恒温恒湿。关键制造受益：恒温保持机床精度稳定，生产高精度刀柄系统。

大量三层中空隔热窗引入自然光，百叶自动开合，夏季挡热透光。需补光处用LED感应灯，无墙壁开关，人来亮人走灭。