eVTOL 制造：深入探讨当前趋势和未来机遇
电动垂直起降 (eVTOL) 飞机市场有望在未来几年实现显著增长，这将彻底改变城市空中交通，并彻底改变我们现有的交通方式。本报告深入探讨了 eVTOL 制造的现状，探索了塑造这一新兴行业的关键趋势、挑战和机遇。报告还探讨了复合材料等先进材料以及增材制造等尖端制造技术在推动创新和实现此类革命性飞机量产方面的关键作用。
eVTOL 市场：增长与潜力概览
受高效、可持续和便捷航空旅行前景的推动，eVTOL 市场正经历着兴趣和投资的激增。2020 年，全球 eVTOL 飞机市场规模达 11.1 亿美元1。此外，北美市场占据主导地位，份额达 38.74% 1，预计商业领域将在预测期内引领市场1。市场研究表明，未来几年 eVTOL 飞机市场将显著扩张：
- 《财富商业洞察》预测，全球 eVTOL 飞机市场规模将从 2021 年的 54.1 亿美元增长到 2028 年的 232.1 亿美元，复合年增长率为 23.13% 1。
- Market.us预测到 2033 年市场规模将达到 390 亿美元，2024 年至 2033 年期间的复合年增长率为 36.8% 2。
- Grandview Research估计 2023 年市场规模将达到 13.5 亿美元，预测 2024 年至 2030 年的复合年增长率为 54.9% 3。
这些数字凸显了eVTOL市场的巨大潜力以及对这些创新型飞机日益增长的需求。电池技术的进步不仅仅是渐进式的改进；它们对eVTOL市场的生存和未来至关重要，直接影响着飞行时间、有效载荷能力，并最终影响着这些飞机的商业成功3。
未来趋势：先进制造和 eVTOL 的发展
eVTOL 制造的未来在于先进技术和材料的持续融合。影响该行业的一些关键趋势包括：
- 结构电池：将电池单元集成到飞机结构中，以减轻重量并提高能量密度5。
- 人工智能驱动的优化：利用人工智能优化设计、制造流程和维护操作6。
- 可持续制造：采用环保材料和工艺，最大限度地减少 eVTOL 生产对环境的影响7。
- 氢动力 eVTOL：电动氢动力领域因其零排放飞行的潜力而正在经历快速增长，符合全球可持续发展目标3。
这些进步将进一步提高 eVTOL 的性能、效率和可持续性，推动市场增长并加速城市空中交通的普及。
公共交通中的 eVTOL：缓解交通拥堵，增强连通性
电动垂直起降飞机（eVTOL）不仅仅是一个未来概念，它们有潜力成为公共交通系统不可或缺的一部分。其垂直起降能力消除了对长跑道的需求，使其能够在空间有限的城市环境中运行8。这为城市空中交通 (UAM) 开辟了新的可能性，为交通拥堵提供了解决方案，并增强了城市内部以及城乡之间的互联互通9。
eVTOL 可用于各种公共交通应用：
- 空中出租车：在城市内提供按需空中运输服务，类似于 Uber 和 Lyft 10等拼车平台。
- 载客无人机：大型 eVTOL 可以作为自动驾驶或有人驾驶的空中巴士，沿固定路线搭载多名乘客11。
此外，除了客运之外，eVTOL 还是变革物流的关键，它为传统的地面运输方式提供了更快、更灵活、更具可持续性的替代方案，特别是在拥挤的城市环境和对时间敏感的货物运输方面8。
- 货物运送：快速有效地运输货物、医疗用品和其他必需品，尤其是在拥挤的市区或偏远地区12。
通过将 eVTOL 融入公共交通网络，城市可以缓解交通拥堵、减少通勤时间并提高整体交通效率。
复合材料轻量化：eVTOL 设计的关键因素
eVTOL 制造的关键挑战之一是实现轻量化结构，同时保持结构的完整性和安全性。复合材料凭借其较高的强度重量比和设计灵活性，已成为 eVTOL 制造的首选材料13。复合材料行业正在向热塑性塑料转变，因此需要重新评估供应链，以满足 eVTOL 制造对更大尺寸热塑性结构的需求14。
复合材料为 eVTOL 制造提供了多项优势：
- 减轻重量：延长飞行时间并提高有效载荷能力14。
- 耐久性和耐腐蚀性：确保飞机部件的寿命和可靠性15。
- 设计灵活性：允许复杂的形状和空气动力学优化13。
不同的eVTOL组件采用特定的复合材料。例如，关键结构应用采用含有中等模量纤维的增韧环氧树脂，而含有纤维的高温热塑性树脂则适用于转子叶片和内饰13。复合材料的使用对于优化eVTOL的性能和效率至关重要，使其成为一种可行且可持续的交通方式。
轻量化与先进制造的协同作用
eVTOL 设计中对轻量化的追求与先进制造技术的采用密切相关。这些技术提供了必要的工具，可以制造复杂的复合材料结构，并优化材料使用，从而实现对 eVTOL 性能和效率至关重要的减重13。
先进的增材制造：塑造 eVTOL 生产的未来
增材制造 (AM)，也称为 3D 打印，正在彻底改变 eVTOL 制造业，它能够创建复杂、轻量化的组件，提高效率并减少浪费17。自动纤维铺放 (AFP)、连续纤维打印和直接金属激光烧结 (DMLS) 等 AM 技术正被用于生产各种 eVTOL 部件，包括：
- 机身结构：创建具有复杂几何形状的坚固轻质框架5。
- 转子叶片：制造具有优化空气动力学特性的高性能叶片18。
- 散热器：为 eVTOL 电力电子设备提供高效的冷却解决方案19。
AM 为 eVTOL 制造提供了多项优势：
- 设计自由：能够生产传统制造方法无法实现的复杂形状和精密设计15。
- 轻量化：优化材料使用并减轻飞机的整体重量16。
- 快速成型：通过快速迭代和测试新设计来加速设计和开发过程20。
- 微工程表面： AM 可以创建微工程表面，从而显著改善 eVTOL 组件中的热传递19。
此外，Arevo 软件等软件的进步正在简化非专业人士的复合材料设计，进一步促进了增材制造在 eVTOL 制造中的应用17。通过利用 AM 技术，eVTOL 制造商可以显著提高生产效率、成本效益和设计优化。
先进增材制造技术详解
本节将更深入地介绍 eVTOL 生产中使用的具体先进增材制造技术：
- 自动纤维铺放 (AFP)： AFP 是一种利用机械臂将连续纤维增强带精确铺放至模具上的技术，可制造出强度高、重量轻的复杂复合材料部件。该技术尤其适用于制造大型 eVTOL 部件，例如机身段和机翼蒙皮。
- 连续纤维打印：该方法通过喷嘴挤出连续纤维增强热塑性材料，逐层构建零件。它具有高度的设计灵活性，适用于创建复杂的几何形状和内部结构。
- 缠绕：纤维缠绕是将连续纤维缠绕在旋转心轴上，形成圆柱形或管状结构的一种工艺。该技术通常用于制造电动垂直起降飞机（eVTOL）中的压力容器、驱动轴和其他结构部件。
- 拉挤成型：拉挤成型是一种连续生产具有恒定横截面的复合材料型材的工艺。该工艺包括将增强纤维拉过树脂槽，然后通过加热的模具，使树脂固化并形成所需的形状。该技术用于生产用于 eVTOL 结构的长而直的部件，例如横梁和翼梁。
这些先进的 AM 技术提供了一系列生产高性能、轻量化组件的能力，有助于提高 eVTOL 飞机的整体效率和可持续性。
扩大 eVTOL 生产面临的挑战
尽管 eVTOL 市场前景广阔，但制造商在扩大生产以满足预期需求方面仍面临多项挑战：
- 先进技术的集成： eVTOL 依赖于多种先进技术的复杂相互作用，包括电力推进系统、先进的飞行控制软件和自主导航系统。将这些技术集成到制造流程中并扩大生产规模需要先进的工程能力，并且可能带来复杂性21。
- 员工培训与留任：扩大生产规模需要更多具备复合材料、增材制造和电气系统等领域专业技能的员工队伍。培训新员工并将其融入生产流程，同时留住经验丰富的员工，可能颇具挑战性，尤其是在竞争激烈的劳动力市场中21。
- 财务风险：扩大产能通常需要对新设施、设备和人员进行大量的资本投入。如果市场需求增长不如预期，或者生产规模扩大出现延误和成本超支，则会带来巨大的财务风险21。
- 当前制造工艺的成本影响：当前的eVTOL制造工艺复杂且成本高昂，涉及多种材料系统、复杂的几何形状以及集成挑战。这些因素增加了总体生产成本，并可能影响eVTOL飞行器的可负担性5。
自动化不仅是 eVTOL 制造的理想特性，更是实现规模经济的必要条件，以满足预期需求并使这些飞机具有商业可行性7。通过技术进步、劳动力发展和战略投资来应对这些挑战，对于 eVTOL 行业的成功发展至关重要。
eVTOL推进系统
eVTOL 飞行器利用各种推进系统实现垂直起降和高效的前飞。一种常见的方法是使用变距螺旋桨，这种螺旋桨可以调节桨叶角度，从而优化不同飞行阶段的推力和效率22。这项技术使 eVTOL 飞行器能够从垂直起飞平稳过渡到水平飞行，并在各种运行条件下实现最佳性能。
然而，在近距离使用多个螺旋桨，尤其是在并排旋翼配置中，会产生影响性能和稳定性的气动相互作用。这些相互作用可能导致复杂的流动模式、噪音水平的增加以及潜在的控制挑战23。通过精心设计和优化螺旋桨的布置和控制系统来理解和减轻这些气动效应，对于确保电动垂直起降 (eVTOL) 飞机的安全高效运行至关重要。
eVTOL 开发中的系统工程
开发 eVTOL 飞机涉及各种工程学科的复杂相互作用，包括空气动力学、结构设计、推进系统和控制系统。为了管理这种复杂性并确保设计流程成功，许多 eVTOL 制造商正在采用基于模型的系统工程 (MBSE)方法。MBSE 工具（例如 Zuken Vitech 的 GENESYS）提供了一个数字化环境，用于在整个飞机系统的整个生命周期内对其进行建模、仿真和分析8。这种方法促进了不同工程团队之间的协作，能够及早发现和解决设计问题，并改善了整体系统的集成和优化。
案例研究：复合材料和增材制造的实际应用
一些 eVTOL 制造商已经在其生产过程中实施复合材料和增材制造：
这些案例研究展示了复合材料和增材制造在电动垂直起降飞机制造中的成功应用，为该行业的更广泛应用和进一步创新铺平了道路。值得注意的是，虽然一些公司的目标是在2025年实现商业运营，但认证过程中的挑战可能会导致项目延期26。
eVTOL 制造的可持续性
可持续性是电动垂直起降 (eVTOL) 行业日益关注的问题，制造商积极寻求将其生产过程对环境的影响降至最低的方法。一个值得注意的例子是波音公司与 ELG 碳纤维公司（现为 Gen 2 Carbon）合作，从其工厂回收碳纤维27。这项计划包括收集废弃的碳纤维材料，并在熔炉中处理以去除粘合聚合物，从而得到可重复使用的清洁材料。这项回收计划已在波音公司的 11 个工厂实施，有助于实现其到 2025 年将填埋固体废物减少 20% 的目标27。
合成
在电力推进、轻量化材料和创新制造技术的推动下，eVTOL 行业有望迎来变革性增长。本报告探讨了影响 eVTOL 制造业的关键趋势，强调了复合材料和增材制造在实现轻量化、高性能飞机方面的关键作用。该行业在扩大生产规模和完成复杂的认证流程方面面临挑战，但 eVTOL 对城市空中交通、物流和可持续性的潜在益处巨大。材料、制造技术和系统工程的持续创新对于这些革命性飞机的成功开发和广泛应用至关重要。
参考文献
- eVTOL Aircraft Market Size, Industry Share, Global Report, 2032, accessed on January 22, 2025, https://www.fortunebusinessinsights.com/evtol-aircraft-market-106298
- eVTOL Aircraft Market to hit USD 39.0 Billion By 2033, accessed on January 22, 2025, https://scoop.market.us/evtol-aircraft-market-news/
- eVTOL Aircraft Market Size, Share & Trends Report, 2030 - Grand View Research, accessed on January 22, 2025, https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/evtol-aircraft-market-report
- eVTOL Aircraft Market Trends & Forecast 2035-2032 - SkyQuest Technology, accessed on January 22, 2025, https://www.skyquestt.com/report/evtol-aircraft-market
- Structural Batteries and Advanced Manufacturing: The Key to Unlocking eVTOL's Commercial Future - Addcomposite, accessed on January 22, 2025, https://www.addcomposites.com/post/structural-batteries-and-advanced-manufacturing-the-key-to-unlocking-evtols-commercial-future
- Taking Flight: How Technology is Revolutionizing eVTOL Maintenance - Ramco Systems, accessed on January 22, 2025, https://www.ramco.com/blog/aviation/technology-revolutionizing-evtol-maintenance
- Revolutionizing eVTOL Manufacturing: Advanced Composite Solutions - Addcomposite, accessed on January 22, 2025, https://www.addcomposites.com/post/revolutionizing-evtol-manufacturing-advanced-composite-solutions
- Taking Flight: Engineering the Future of eVTOL Aircraft - Zuken US, accessed on January 22, 2025, https://www.zuken.com/us/blog/taking-flight-engineering-the-future-of-evtol-aircraft/
- Advanced Air Mobility (AAM): Implications for Transport Service Providers, accessed on January 22, 2025, https://altonaviation.com/alton_insights/advanced-air-mobility-implications-for-transport-service-providers/
- Ultimate guide to electric vertical takeoff and landing (eVTOL) air taxis - Intergalactic, accessed on January 22, 2025, https://ig.space/commslink/ultimate-guide-evtol-electric-vertical-takeoff-landing-air-taxis/
- Kelekona is developing an eVTOL to compete with mass transit, not taxis. - Freethink, accessed on January 22, 2025, https://www.freethink.com/hard-tech/mass-transit-evtol
- eVTOLs Could Be Flying Routes in a City Near You By 2025 - Verisk, accessed on January 22, 2025, https://core.verisk.com/Insights/Emerging-Issues/Articles/2023/November/Week-4/An-Introduction-to-eVTOL-Aircraft-for-Insurers
- Towards a new paradigm: composites in eVTOL - Vertical Magazine, accessed on January 22, 2025, https://verticalmag.com/features/evtol-composites-new-paradigm/
- Composite innovation in the eVTOL Industry — thought leadership piece from Mewburn Ellis, accessed on January 22, 2025, https://evtolinsights.com/2023/08/composite-innovation-in-the-evtol-industry-thought-leadership-piece-from-mewburn-ellis/
- An Introduction To Aerospace Metal Additive Manufacturing - 3DEO, accessed on January 22, 2025, https://www.3deo.co/featured/an-introduction-to-aerospace-metal-additive-manufacturing/
- eVTOL Startup LIFT Got 'Flight-Ready' with Additive Manufacturing - Materialise, accessed on January 22, 2025, https://www.materialise.com/en/inspiration/cases/additive-manufacturing-flight-ready-parts
- From Bikes to eVTOL: How A Startup Is Simplifying 3D Printing for Aircraft Parts, accessed on January 22, 2025, https://aviationweek.com/mro/bikes-evtol-how-startup-simplifying-3d-printing-aircraft-parts
- Draft Vertical Aerospace VX4 case study - National Composites Centre, accessed on January 22, 2025, https://www.nccuk.com/media/fxkbbrmy/vertical-aerospace-vx4-case-study-10-3.pdf
- Thermal Management: Additive Manufacturing Powers Next-Gen Heat Sinks, accessed on January 22, 2025, https://insidemetaladditivemanufacturing.com/2025/01/01/thermal-management-additive-manufacturing-powers-next-gen-heat-sinks/
- Taking Flight: How 3D Printing and Hybrid Tech are Propelling the eVTOL Industry, accessed on January 22, 2025, https://www.fabbaloo.com/news/taking-flight-how-3d-printing-and-hybrid-tech-are-propelling-the-evtol-industry
- eVTOL Manufacturing Scale-Up Considerations - Carpenter Electrification, accessed on January 22, 2025, https://www.carpenterelectrification.com/blog/evtol-manufacturing-considerations
- a versatile dynamic rotor and propeller model for electric vtol simulation applications - Open METU, accessed on January 22, 2025, https://open.metu.edu.tr/bitstream/handle/11511/99740/10498144.pdf
- Experimental Study of the Aerodynamic Interaction between Side-by-Side Propellers in eVTOL Airplane Mode through Stereoscopic Particle Image Velocimetry - ResearchGate, accessed on January 22, 2025, https://www.researchgate.net/publication/354226807_Experimental_Study_of_the_Aerodynamic_Interaction_between_Side-by-Side_Propellers_in_eVTOL_Airplane_Mode_through_Stereoscopic_Particle_Image_Velocimetry
- 10 eVTOL Development Programs to Watch in 2021 - Aviation Today, accessed on January 22, 2025, https://interactive.aviationtoday.com/10-evtol-development-programs-to-watch-in-2021/
- 5 eVTOL Companies Shaping the Future of Air Mobility - MRL Consulting Group, accessed on January 22, 2025, https://www.mrlcg.com/resources/blog/5-evtol-companies-shaping-the-future-of-air-mobility/
- Before and Beyond the Commercial Debut of eVTOLs | Future Transport-News, accessed on January 22, 2025, https://futuretransport-news.com/before-and-beyond-the-commercial-debut-of-evtols/
- aking-off into a cleaner future: composites in the aviation industry - Mewburn Ellis, accessed on January 22, 2025, https://www.mewburn.com/news-insights/taking-off-into-a-cleaner-future-composites-in-the-aviation-industry
如果这篇文章帮助到了你，你可以请作者喝一杯咖啡
浙公网安备 33010602011771号