Šta dobijate kada date odrešene ruke grupi kreativnih inženjera sa vizijom dinamičnijih, ekološki prihvatljivijih putovanja avionima? Dobijate izuzetno jaku, a istovremeno veoma laganu konstrukciju dela kabine jednog od najpoznatijih aviona na svetu Erbas A320, dizajniranu i potom proizvedenu upotrebom naprednih tehnologija poput generativnog dizajna i 3D štampe, što predstavlja prvi korak ka proizvodnji aviona budućnosti.

VIZIJA AVIONA IZ 2050. GODINE

Bastian Šifer (Bastian Schaefer) je deo tima koji je razvio Erbasov avion iz 2050. godine. Svi letovi u budućnosti će biti ekološki prihvatljivi. Avioni budućnosti će biti lakši, trošiće manje goriva, i imaće mnogo nižu emisiju štetnih gasova staklene bašte. „Manja masa je dobra stvar, ali ne na uštrb jačine i sigurnosti“, kaže Šifer.

Ta složena vizija bazira se na najnovijoj reči tehnologije – generativnom dizajnu.

OD VIZIJE DO PRAKTIČNOG PROIZVODA

Odlučili su da testiraju tu tehnologiju na neupadljivom, ali ključnom delu letelice – na delu koji razdvaja putničku kabinu od galerije aviona Erbas A320.

Nova verzija pregrade mora da:
• bude značajno lakša od one koja se trenutno koristi, kako bi se ostvario cilj smanjenja ukupne mase aviona,
• bude dovoljno jaka da izdrži fiksirana sedišta putnika, naročito prilikom uzletanja i sletanja,
• ima velike otvore, kako bi široki predmeti u kabini mogli da se pomeraju,
• bude maksimalne debljine 25mm,
• bude pričvršćena za osnovnu konstrukciju aviona u samo četiri tačke.

Ispunjavanje svih ovih zahteva je podrazumevalo napuštanje ustaljenih inženjerskih pristupa projektovanju. Šifer je započeo ovaj posao u saradnji sa Autodeskovim istraživačkim timom, koristeći generativni dizajn kako bi razvio ono što je tim nazvao „bionička pregrada“.

ŠTA JE GENERATIVNI DIZAJN?

To je tehnologija kojom se oponaša prirodni proces evolucije u dizajnu. Proces započinje unošenjem dizajnerskih zahteva, a zatim se istraže sva moguća rešenja kako bi se odabralo najbolje. Koristeći „cloud“ tehnologiju, softver brzo generiše na hiljade, nekada i milione predloga, zatim ih testira i poboljšava kroz svaku iteraciju. Ovaj proces pomaže dizajnerima da osmisle potpuno nove varijante, koje su često izvan onoga što čovek može da zamisli, kako bi se došlo do najefektnijeg dizajna.

Erbasova bionička pregrada je morala da ispuni veoma stroge zahteve u pogledu težine, jačine i deformacija u slučaju eventualnih sila jačine 16g, koje se javljaju usled pada aviona. Kako bi ispunio ove zahteve i optimizovao strukturu konstrukcije, tim je programirao algoritme po uzoru na dve strukture koje postoje u prirodi: vrstu buđi i kosti sisara, i ubacio ga u softver za generativni dizajn.

Dobili su dizajn koji izgleda kao rešetkasta struktura koja na prvi pogled izgleda nasumično, ali je optimizovana da bude jaka i laka, uz upotrebu najmanje količine materijala.

BUĐ

Algoritam koji se koristio za dobijanje dizajna pregrade je bio baziran na šemi rasta određene vrste buđi, jednoćelijskog organizma koji raste stvarajući veze u više tačaka sa neverovatnom efikasnošću.

KOSTI SISARA

Algoritam za strukturu pregrade je bio baziran na mrežastoj strukturi kostiju sisara, koje su gušće u zonama velikih opterećenja, a lakše u svim drugim zonama.
Dobijena pregrada je bila za 45% lakša u odnosu na dosadašnju pregradu.

OBLIK BIONIČKE PREGRADE

Tim je kao rezultat analize softvera za generativni dizajn dobio na hiljade varijatni u pogledu težine, jačine i ostalih parametara nakon čega je doneta odluka od kog dizajna će se napraviti prototip. Za to su koristili tehnologiju 3D štampanja – izrada proizvoda nanošenjem materijala u slojevima na osnovu digitalnog modela.

Više od 100 delova od legure metala velike jačine koju su razvili u Erbasu je proizvedeno 3D štampanjem, koji su potom sklopljeni u celinu. Dobijena bionička pregrada je trenutno najveća komponenta za avion na svetu, proizvedena 3D štampanjem, a osim toga prevazilazi zahteve Erbasovog tima – jača je, tanja je i lakša od prethodne koju će zameniti.

GODIŠNJE SE ŠTEDI 3,180 KG GORIVA PO PREGRADI

Bionička pregrada je relativno mali deo aviona, ali upotreba lakših komponenti uključuje i avione u borbu protiv klimatskih promena. Za svaki 1 kilogram uštede na masi aviona, smanjuje se potrošnja goriva za 106kg godišnje, čime se snižava emisija štetnih gasova staklene bašte. Bionička pregrada je za oko 30kg lakša u odnosu na standardnu.

ZA 183 TONE BI BILA MANJA EMISIJA CO2 GODIŠNJE PO AVIONU ERBAS A320 U KOJIMA BI SE KORISTILE BIONIČKE PREGRADE

Ako bi se bioničke pregrade koristile u celoj kabini aviona Erbas A320, tačnije četiri po avionu, avion bi bio lakši za 500kg. Posledično, ušteda u potrošnji goriva bi snizila emisiju CO2 gasova za 183 tone godišnje po svakom avionu. Pomnožite to sa hiljadama novih naručenih aviona A320 i shvatićete da avioni imaju potencijal da godišnje snize emisiju CO2 za stotine hiljada tona.

95% MANJE SIROVOG MATERIJALA

Osim toga, tehnologija 3D štampanja delova će pomoći kompaniji da dodatno snizi svoj uticaj na životnu sredinu. Ovaj proces koristi samo 5% materijala u odnosu na tradicionalne metode izrade delova mašinskom obradom kada se višak materijala uklanja sa metalnog bloka. Takođe, korišćenjem tehnologije 3D štampanja, sav sirov materijal koji se ne iskoristi, može se upotrebiti za naredni deo.

„Obavezali smo se da snizimo emisiju gasova staklene bašte za 50% do 2050.godine, a to podrazumeva da razvijemo nove tehnologije koje će učiniti ove letelice još lakšim“ - Bastian Šifer, menažer inovacija, Erbas

OD BIONIČKE PREGRADE DO BIONIČKOG AVIONA

Lekcije koje je Erbas naučio dizajniranjem bioničke pregrade tabaju put ka promeni koncepcije i načina proizvodnje aviona. Naredna generacija Erbasovih aviona, sa komponentama dizajniranim pomoću generativnog dizajna, proizvedenih pomoću 3D štampača koristeći inovativne materijale, približiće nas viziji bioničkog aviona za godinu 2050. Erbas planira da svoje metode primeni na veće strukture unutar aviona, na primer na zid kokpita, koji je duplo veći od bioničke pregrade, a koji treba da bude i otporan na metke da zaštiti pilote i stjuardese.

Ali Erbasov uspeh u primeni generativnog dizajna i 3D štampe donosi i nove izazove. Industrija za ovu vrstu proizvodnje mora da napravi brže i veće 3D štampače kako bi bilo moguće proizvesti veće komponente jednim štampačem. Obuka inženjera da razumeju nove metode dizajniranja i proizvodnje biće kritična. Erbas je nedavno započeo obuku svojih 10.000 inženjera, a kompanija sponzoriše 5 profesorskih stipendija na nemačkim univerzitetima.

“Ja sam mašinski inženjer sa preko 30 godina iskustva“, kaže Petar Sander(Peter Sander). „Prvi put vidim ovakvu promenu. Svako od nas mora da razume nove načine rada.“
Ovo je spisak programskih alata koje je kompanija Erbas koristila za dizajniranje bioničke pregrade:

Autodesk Nastran
Dynamo Studio
Fusion 360
Inventor
Meshmixer
Robot Structural Analysis
SimStudio Tools
Simulation Mechanical
Netfabb

Tekst preuzet sa ove adrese  
Tekst preveo: Darko Ćaldović, dipl.inž.maš, Autodesk MFG application engineer