工信部《通用航空装备创新应用实施方案》大背景，3D打印点燃低空新质生产力的万亿赛道优势！

|3DScienceValley· 2024/04/03

2024年3月28日，工信部等四部门联合发布《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》，强调推进电动垂直起降航空器（eVTOL）等一批新型消费通用航空装备适航取证，鼓励飞行汽车技术研发、产品验证及商业化应用场景探索。市场相关分析机构表明，从产业发展来看，目前低空经济尚处于初期发展阶段，正处在技术创新和产业成熟的关键期，国家已将低空经济定义为新质生产力的重要代表，细分机会方面，低空飞行器产业链、低空基础设施等领域值得关注，未来有望获得政策持续推动，并实现快速发展，撬动万亿级市场。市场机会涉及直升机、eVTOL、无人机等各类航空器的发展，以及大众低空天路网、空中交通管理系统等基础设施建设。

全球范围内，根据《面向未来已来的万亿潜力UAM市场，3D打印液体冷板成就灵动的eVTOL电动垂直起降飞行器》一文，到2030年，全球UAM的TAM（Total Addressable Market）将超过550亿美元。到2040年和2050年，全球UAM市场规模将分别达到1万亿美元和9万亿美元。本期，将通过案例来洞悉3D打印如何塑造低空经济所涵盖的新质生产力万亿赛道竞争优势。

▲ eVTOL电动垂直起降飞行器-3D打印
© 白皮书

电动垂直起降 (eVTOL) 飞行器的核心是电动动力系统。由锂离子电池以及产生必要的升力和推进力的高性能电机和逆变器组成。目前正在开发各种不同的动力系统概念，但它们都面临着高功率和高压电子设备带来的相同热管理挑战。

热管理系统

管理飞机推进系统中电子元件产生的废热对于eVTOL飞行器的性能至关重要，电池系统只能在狭窄的工作温度范围内有效工作，因此需要预热和冷却，此外，电机内的电阻和磁滞损耗会产生热量，从而损坏磁体和绕组，而逆变器中的碳化硅如果太热也会降解。

对于飞机，特别是小型、轻型电动垂直起降飞机，质量和推进系统效率对于实现高航程和有效载荷能力至关重要。因此，这些电动动力总成部件需要通过极其轻质和紧凑的热管理系统进行有效冷却。

根据Conflux，焊接结构是电动动力总成中的传统冷板面临的挑战之一，泄漏的风险是有问题的，而且通常无法创建复杂的内部结构。而通过3D打印-增材制造技术，无需焊接或钎焊，因此可以直接拥有一个没有焊接接头的整体部件，因此不会泄漏。使用粉末床激光熔融 (LBPF) 增材制造工艺来制造具有复杂几何形状的铝冷板，这是传统方法无法制造的。该过程使用光纤激光器选择性地熔化一层细金属粉末。然后降低3D打印平台，并涂上另一层粉末，通过激光逐层熔化，零件逐渐形成完整的3D几何形状。

▲ 热交换器
© 白皮书

传统制造方法的优点之一是它们可以通过机械加工或车削技术生产极薄的壁，但增材制造技术现在已经非常接近实现相同的壁厚。

增材制造还具有创造具有复杂内部几何形状的新颖形状的优点，这是任何其他方式都无法创造的，这使得冷板的内部结构可以设计成增加表面积并补偿墙壁的热阻。

翅片、销和螺旋结构都可以合并到冷板设计中，不仅增加表面积，从而增加散热，而且还可以优化流体的流动行为。通过引导流动并使用几何形状来引发湍流，可以将冷却剂引导到母线接头等较热的区域，同时混合流动以更有效地散热。

▲ 在锂离子电池中，模块内的非结构性袋状或圆柱形电池通常粘合到提供支撑和直接冷却的冷板。
© MDPI

冷板的内部设计对冷却系统的其他元件有直接影响。液体冷却剂回路的压降决定了泵的尺寸和能量需求。高效的设计意味着更小的泵、更轻的质量以及更低的电池系统能量消耗。

根据，增材制造的能力正在推动冷板冷却技术向前发展，以满足电动垂直起降 (eVTOL) 飞机先进空中交通领域的新需求。而中国的低空经济尚处于初期发展阶段，正处在技术创新和产业成熟的关键期，通过3D打印将有望建立快速创新能力。

复合材料零件

l案例1

在Markforged的应用案例中，eVTOL电动垂直起降飞机公司（如Supernal、Archer Aviation、Beta Technologies、Joby Aviation）希望进入低产量生产和初期产品测试阶段。

eVTOL行业正逐渐从原型制造转向低产量生产和认证测试阶段。他们面临与其他航空行业相同的严格要求。由于其初始生产目标、不断演化的飞行器设计和可定制性，会导致高混合、低产量的零部件需求。高温增材制造技术将成为解决其大多数塑料内部零部件和部分次要结构零件的解决方案。

在这方面，Markforged开发并集成了其公司自有的材料、3D打印机和软件，从而实现端到端过程控制。制造用户可以灵活地现场制造零部件或无缝联系外包服务上。如果用户现场没有3D打印机，还可以直接从不断增长的3D打印服务商网络订购所需零部件。

通过Digital Source平台，制造业用户可以根据需求进行规模化生产。当零件需求超过本地3D打印机的产能时，可以通过该平台选择满足制造商打印工艺要求的3D打印服务商，将生产需求进行外包。而实现这一切，只需在Digital Source平台上一键点击。

l案例2

专注于研发生产混合动力垂直起降飞行器（eVTOL）的加拿大公司Horizon Aircraft为了实现高效产出，也采用了直接3D打印零部件的方法。通过使用远铸智能的FUNMAT PRO 610HT以及高温尼龙碳纤材料，Horizon成功打印了飞行器上80%的功能性部件，总计超过780个，助其赢得了美国空军国防部AFWERX的研发合同。

以下为部分装机件：

控制系统
金属零件

在飞行汽车所面临的众多技术挑战中，其中一项就是实现减重。飞行汽车需要通过减轻自身重量，才能更好地飞起来。这需要轻量化技术的应用，不仅包括新材料，还包括制造工艺等。零件结构优化是实现轻量化的一个重要途径，而增材制造-3D打印是结构优化设计零件的制造工艺，为实现复杂优化设计零件的制造打开了空间。

交通领域正在进行着面向未来的新型载运工具的变革。小鹏汇天的飞行汽车为人类城市立体交通提供产品和解决方案，为未来出行提供了一种新思路。小鹏汇天的飞行汽车中，应用了金属3D打印卡钳及卡钳支架，获得了显著的减重效果。

▲ 铂力特为小鹏汇天3D打印的卡钳支架
© 铂力特

其中，相比原卡钳零件，在保证结构强度和使用性能的基础上实现了30%以上的减重优化目标。同时，团队在外观造型设计中结合曲面拓扑、点阵晶格等特征结构，呈现出流畅且富有工业感和科技感的轮廓特征，既符合小鹏汇天带给人们“拓展智能、探索边界”的科技印象，也凸显了金属3D打印工艺对设计美感和制造难点的赋能与突破。

▲ 铂力特为小鹏汇天3D打印的卡钳支架
© 铂力特

卡钳及卡钳支架采用钛合金材料，分别选用铂力特金属3D打印设备BLT-S320和BLT-S400进行制造。成品卡钳及卡钳支架顺利交付客户后通过测试，零件性能良好，与汽车适配度高。

国内近期研究

l变体飞行器结构关键技术及研究进展

张家应1,2黄可2武冠振2王晨3聂瑞4

1. 北京航空航天大学强度与结构完整性全国重点实验室2. 北京航空航天大学航空科学与工程学院3. 南京航空航天大学航空学院4. 中国民用航空飞行学院航空工程学院

摘要：

变体飞行器由于可以根据飞行任务、飞行环境以及飞行状态等工况的改变主动地调整自身状态，从而可以实现在不同任务下都保持最佳性能。柔韧性和承载性良好的一体化柔韧蒙皮、大功率驱动器、轻量化高可靠性变形机构等智能柔性变形机翼技术是变体飞行器的重要支撑。为研究智能柔性变形机翼技术，在给出变体飞行器机翼主要变形方式的基础上，分析了变形机翼在变形蒙皮、驱动技术、变形机构等方面关键技术的研究重点和方法，并对其发展进行展望。

l电动垂直起降复合翼飞行器电机臂结构设计

陈修贤、董明、董文俊、吴韦志

上海沃兰特航空技术有限责任公司研发中心

摘要：

电动垂直起降复合翼飞行器的电机臂为关键的承载部件，在转换飞行阶段和反转换飞行阶段，飞行载荷复杂，研究其结构设计具有重要意义。本课题研究垂起、转换、固定翼飞行、反转换、降落飞行阶段电机臂承受的桨叶拉力、飞行过载载荷，在此载荷下设计双传力路径的电机臂结构，并在给定约束条件下进行电机座的结构优化；通过强度仿真分析对电机臂结构设计进行计算分析，确保电机臂上复合材料和金属零件的应力水平低于设计许用值；根据电机臂结构形式，设计试验加载方式，通过静强度试验和飞行试验，测量试验过程中的应变及变形，并与强度计算结果进行对比分析，以验证电机臂结构设计和计算结果的准确性。

结果表明：本课题设计的电动垂直起降复合翼飞行器电机臂满足刚度、强度、疲劳设计要求。

l复合翼eVTOL电池需求及对动力总成安全性的影响

丁水汀、丁硕、孙爽、但敏、赵自庆

中国民航大学航空工程学院

摘要：

动力电池是电动化飞行得以实现的重要组成部分，其技术层次和安全水准对电动垂直起降飞行器(Electric Vertical Take off and Landing aircraft,eVTOL)的商业化推广尤为重要。本课题在典型飞行任务下，研究电池性能对eVTOL飞行器的运营性能、适航性能和安全性能的影响。利用开源软件SUAVE(Stanford University Aerospace Vehicle Environment,SUAVE)对复合翼eVTOL进行了整机与动力总成的建模，利用故障树分析(Fault Tree analysis,FTA)方法对动力总成进行了安全性分析。通过仿真，发现在现有电池技术水平下，电池的放电倍率约束是决定电池性能需求的关键限制条件，针对本文设计的eVTOL,372 Wh/kg是满足所有安全约束的最低能量密度，在使用过程中电池容量的衰退是设计者选择电池能量密度的重要参考指标。单独改善电池的可靠性对动力总成可靠性的提升是有限的，但电池性能的衰退将使电池成为动力总成失效的主要因素。通过FTA发现本文搭建的典型动力总成失效率为1.524×10-7，接近SC-VTOL-01中单座飞行器的基础级灾难性故障率要求。

l面向eVTOL飞行器轴向磁通电机的设计与分析

郭琳

中北大学

摘要：

近年来电动垂直起飞和着陆(e VTOL)飞行器受到人们的关注。相比传统燃油发动机驱动系统,电机驱动系统具有结构简单、起飞和降落距离短、运行成本低等优点。对于性能良好的飞行器来讲,电机的选择尤为重要。市面上常见的径向磁通电机存在缺点,所以对轴向磁通电机的结构进行研究分析,设计一种高效率和低损耗的电机,并且要求齿槽转矩小,这样可以避免噪声振动产生的影响。本课题确定了双转子单定子结构的轴向磁通电机,用于对电机结构有特殊要求的电动垂直起飞和着陆飞行器上。通过对电机的性能参数及定转子相关尺寸进行计算,设计了两种不同类型的轴向磁通永磁同步电机,确定了电机结构和电磁方案的设计。利用有限元软件ANSYS Maxwell分析了两种电机静态场和瞬态场下的工况,得到了电机磁密云图、磁路结构和反电动势等波形,以及负载情况下转矩仿真和损耗仿真波形等,验证了所设计电机的可行性。针对转矩脉动对电机平稳运行性能产生的影响,采用田口法对电机进行优化设计,对齿槽转矩和转矩脉动进行优化,选取永磁体和气隙作为优化参数,验证了优化后电机性能得到提升。此外还研究了无铁芯轴向磁通电机在双闭环控制系统中的性能,讨论了正弦波驱动方式对电机的作用效果。采用滑模观测器取代有传感器系统,得出转速、电机转子位置、转矩和电流波形,构建了相应的控制系统。经实验验证,本文所设计的电机参数合理、有效。

l某型eVTOL航空器安全性评估的应用

杨海云、李宜恒、刘晓娟、张振浩、余勇

零重力(合肥)飞机工业有限公司

摘要：

由于电动垂直起降飞行器(Electric Vertical Takeoff and Landing,eVTOL)的高度综合化和集成化,导致研制错误会严重影响整机的安全性和适航性。通过对ARP4754A《民用航空产品和系统开发指南》的研究,获知研制保证等级是有效降低现代民用飞机研制错误的重要技术。利用研制保证等级分配原则,并结合某eVTOL研制保证等级分配的实际工程经验,对设计中的安全性研制保证等级分配进行了分析和研究,为eVTOL飞机安全性设计提供参考。首先进行功能危害性分析(Functional Hazard Analysis,FHA)分析,找出功能的灾难性失效状态。其次,以灾难性失效状为顶事件创建功能故障树。最后,根据研制保证分配原则进行研制保证等级的分配。

leVTOL航空器适航取证路径研究

李凯、陆崑、吴沂宁、李剑峰

中国民航管理干部学院

摘要：

电动垂直起降航空器是民航领域的关注热点。作为民用航空器，获得适航证是其合法开展运行的前提。电动垂直起降航空器根据是否有人驾驶可分为两类。本课题通过分析和比较我国适航管理体系中各类适航证的取证条件和使用限制，结合不同种类电动垂直起降航空器预期用途，探索了各类电动垂直起降航空器可行的适航取证路径。

l电动垂直起降飞行器的技术现状与发展

邓景辉

中国直升机设计研究所

摘要：

电池、电机技术的进步和分布式电推进系统的应用极大促进了电动垂直起降飞行器的发展。本课题概述了不同电动垂直起降飞行器构型优缺点及适用场景，并从性能、经济性等方面对电动垂直起降飞行器与常规燃油飞行器进行了全面对比。在噪声特性方面，电动垂直起降飞行器旋翼间、旋翼-机翼等干扰噪声更为突出，而低桨尖速度、大实度的电推进旋翼系统极大降低了全机噪声水平（噪声降低约15 dB）。在能源方面，锂离子电池是当前和未来电动垂直起降飞行器的主要能源；先进的电池材料体系、电池-机体结构一体化设计及优良的电池管理系统是未来提升全机能量密度和能源安全的有效方式。电动垂直起降飞行器冗余操纵特点增加了飞控系统设计难度，但同时也能够提高全机安全性；故障重构与协同控制是飞控系统设计面临的新课题。电动垂直起降飞行器不仅构型种类丰富且具有高压电动力、电推进、电传飞控、电作动等新颖设计特征，当前缺少试飞数据的情况下，基于系统的工程方法是开展其安全性设计的主要方法。