欧特克Autodesk案例:空客公司不断创新仿生设计,打造可持续飞行的未来

国际金属加工网 2020年06月30日

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▲图 空客A320。空客供图。

当 Redshift 在 2015 年首次发表这篇文章时,空客公司正着手重新设计 A320 的部件,并建立了一支更可持续发展的机队,以致力于到 2050 年将温室气体排放量减半。空客公司认为,支持乘务员座椅的机舱隔板是可以进行重新构想的一个成熟部分。

得益于衍生式设计技术,空客公司最初研发的用金属增材制造方式生产的隔板比以前轻了 45%。但遗憾的是,由于金属增材制造未能实现适当的经济效益,这种仿生隔板未能投入生产。然而,衍生式设计技术在不断进步,在传统制造工艺的基础上不断推陈出新。

这些进步让空客公司的仿生隔板研发取得了新进展。同样还是采用衍生式设计,空客公司最新研发的隔板首先以塑料进行 3D 打印,制成模具,然后用符合航空制造要求的金属合金进行铸造。这样铸造出的隔板与之前设计的那种隔板一样轻巧,同样可减轻飞机重量、提高燃油效率。

现在这种衍生式设计的新款隔板能适于铸造,既实惠又高效,其重量和强度与第一款仿生隔板相当,而生产成本则比它降低许多,因而为空客公司的可持续发展做出了贡献。请阅读以下原文章,了解空客公司创新之旅的背景故事。

——Redshift 总编 Erin Hanson

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▲图 最初的仿生隔板(左图)与更新后的隔板(右图)设计效果图。空客公司供图。

想象一下,你正坐着飞机出去度假。在飞机上你可能会看到,机翼有时会改变形状,以避免突发性颠簸。或者,飞机在飞行中被击中,你会亲眼看到被击穿的破洞自动修复!或者,机身会变得透明,让你可以四处极目眺望。

这是空客公司在 2011 年推出的概念机舱的愿景。虽然好像是官样文章,但是,没错,这种未来的愿景现在开始崭露头角了。
最近,空客公司与总部位于纽约的建筑公司 The Living 合作,采用衍生式设计软件和 3D 打印技术制造一种叫做“仿生隔板”的东西。这是机舱里隔开机组人员和乘客的一道“墙”,很薄,但至关重要,其中包括收纳医疗担架的空间,还装有起飞和降落时机组人员用的折叠座椅。

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▲图 空客公司供图。

这种仿生设计的隔板重约 30 公斤,比传统隔板轻 45%,所以能大大地节省燃油、降低碳足迹。但最出人意料的是,它的设计理念源于一种单细胞生物:粘液菌。

空客公司的创新经理 Bastian Schaefer 说:“粘液菌是一种很有趣的生物。想象一下,它正在树林里四处爬行寻找食物。为了做到这一点它向不同的方向扩散,所过之处留下粘液,在它身体和周围的食物来源之间建立了冗余的网络图。我们借鉴这种行为来设计隔板内的结构连接,采用一种算法,将隔板的所有连接点连接到飞机主体结构上,还在隔板内把乘务员座椅连接在隔板上。这对我们在隔板内建立复杂的结构网络很有帮助。

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▲图 空客 A320 上的仿生隔板位置。空客公司供图。

为了生成 Schaefer 说的这种算法,The Living 公司创建了衍生式设计软件。研发团队按照轻量化和性能两方面的目标,在其工具中输入限制条件,以生成原始设计。在轻量化方面,原定目标是减少 30%,但通过仿生设计最终达到了 45%。

Schaefer 说:“衍生式设计基本上就是要定义你的目标。如果目标是减轻重量,软件会通过算法帮你实现。此外也可实现其他目标,如结构的性能。设计仿生隔板时,我们设定了一个目标:在 16g 碰撞测试中隔板的偏转不超过 200 毫米。”

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▲图 空客公司供图。

按这些初始限制条件,设计软件生成了超过 1 万种的设计方案。然后,空客公司依靠大数据分析来缩小范围,选出其中的佼佼者,最后选出性能最佳的一个设计,以付诸生产。Schaefer 说:“我们采用一种可视化的图形,其中有重量和偏转两个限制条件。设计出的所有方案都以图形中的点来表示。因此,我们很容易从中选出几个设计方案,然后进行更详细的分析和考虑。”

选定要付诸生产的设计方案后,空客公司使用了三种不同的增材制造系统来完成生产:波森概念激光 M2(Bosom Concept Laser M2)、EOS M290 和 EOS M400(用于非常大型的零件)。Schaefer 说:“我们将整个隔板分解为多个子部件,将它们分布到打印机内的可用空间。然后决定用哪个打印机生产小零件,哪个打印机生产较大的零件,并同时开始打印。我们共打印了至少七个批次,才完成整个隔板的制造。”

▲图 仿生隔板设计逐步成形。空客公司和来自欧特克工作室 The Living 的 David Benjamin 供图。

“隔板有 116 个部件,每个部件都有必须进行加工的连接器,所以始终有一个问题:所有这些部件能顺利地组合成隔板吗?”Schaefer 接着说,“最后,所有部件都组合起来了。我们举起隔板,感觉它出奇地轻盈,而且异常坚固。这让我坚信,衍生式设计技术将会非常成功,前途无量。”

Schaefer 还指出,减轻这么多重量在过去是不可能实现的。他说:“现在我们能够做到,完全是因为将衍生式设计和 3D 打印结合起来了。”

在大多数情况下,目前的工业增材制造机器只能打印小型飞机部件。如果有更大的打印机,则意味着可以生产更大的飞机部件。最终,空客公司将致力于用 3D 打印生产驾驶舱,它有隔板的两倍那么大,必须从内部完全密封,并且达到防弹的安全标准。除了借鉴粘液菌,空客公司可能还需要从其他植物身上获得仿生设计的灵感,以设计出新型座椅头靠或者其他部件,谁知道呢?通过基于人类特性的算法,设计出超强的垂直稳定翼或喷气发动机部件,也许终将能成为现实。空客公司希望,在衍生式设计的帮助下,将来能够以 3D 打印方式制造整架飞机。

Schaefer 说:“对于航空业的未来,空客的一大愿景无疑是可持续性。不仅对产品本身,而且对产品的运营和制造方式上,我们都关注其整个生命周期。所以我们在飞机设计上独辟蹊径——走仿生路线。仿生设计的这种隔板就来源于此。不过我们的最终目标是,产品在生命周期结束时要可以回收。所以我们关注产品的整个生命周期……将来,也许在 2020 年或 22 世纪,报废的飞机可能可以做成食品,并让人吃掉!”

作者:KEN MICALLEF注:文章来自由欧特克支持创立的 Redshift China

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(Redshift China 欧特克Autodesk)

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