3D打印电动直升飞机(eVTOL)

发布日期:2022-05-06 浏览数:722 次

安全性和速度,这两个概念很难平衡,尤其是在航空方面。但对于总部位于美国的电动垂直起降型直升飞机(eVTOL)公司LIFT Aircraft Inc.来说,两者可以兼顾。这家公司的愿景是让所有人都能乘坐飞机,他们计划使用新型飞机HEXA来实现这一目标。

 

挑战

在不影响安全的前提下率先上市

从一开始,飞行速度快就不是优先考虑的性能,在最短的时间内设计开发一种安全的电动垂直起降型直升飞机,用于城市机动,这才是首要目标。这是一个充满挑战的项目,如何成功地将安全性、确定性和速度结合起来?首席执行官马特·查森(Matt Chasen)说:“各种技术已经成熟,3D打印就是其中之一,现在我们已经准备好开始这项挑战。”

 

新型飞机HEXA18个电机和电池供电

 

“项目一开始,我思考的第一件事是,我们如何使用新技术,实现快速地改进设计和研发,”LIFT公司的首席工程师巴拉兹·凯鲁洛(Balazs Kerulo)说。“出于这个目的,我们一开始计划就让3D团队Materialise参与进来。

“与此同时,我开始研究可以进行生成设计的软件,以便在有限制条件的情况下提出许多的设计选项,然后进一步细化。生成设计与3D打印非常配,它们都可以突破传统制造工艺的桎梏。”

 

3D打印和生成设计的强大结合,使Balazs的团队能够快速打印、测试和微调零件,从而实现飞机模型设计快速的更新迭代。

在早期计划中,Balazs团队将 “超轻型飞机”作为为他们的上市卖点。如果被归类为超轻型,电动垂直起降型直升飞机(eVTOL)就不需要FAA/EASA认证,也不需要飞行员执照,完全符合LIFT公司推行飞行普及化私人化的雄心壮志。

当然,选择超轻路线也带来了其他的挑战。在不影响安全的情况下,如何将重量降至最低,以满足超轻分类标准的要求。

“新飞机有一个分散式动力系统,这意味着我们需要安排18个马达和18个电池,” Balazs解释说。“这对安全性很好,但也意味着与动力系统有关的任何部件的重量必须都乘以18。”

再加上考虑到END-Y。这一部分的独特之处在于,它存在的唯一目的就是在最坏情况的下加固HEXA高架旋翼机最关键的接头——如果飞行员需要紧急着陆打开降落伞时,保证机翼结构完整。一旦飞行员紧急着陆程序开始启动,降落伞的膨胀气囊会使机身瞬间承受高达11.5倍重力的载荷——相当于太空发射的载荷。在那一瞬间,飞机顶部飞行结构以及及其推进电池将重达近两吨。在这种情况下,机翼需要六个末端结构完整的锁死,以防止在头顶支柱被拆解的情况下,机翼因为高速旋转而逼近飞行员,从而发生危险。

“这项任务非常重要性,” Balazs告诉我们。“具有讽刺意味的是,只有当其他一切都失败时,它才变得如此重要,即使如此,持续时间也只有短短的十分之一秒。对于运行良好的飞机HEXA来说,END-Y实际上是个累赘。我们需要一种能够提供最佳强度和重量比的解决方案。”

开发团队从一开始就决定,END-Y的零部件应该额外制造——就像飞机上的100多个其他零部件一样——由于部件的承载要求,这次选择使用钛打印

在项目早期,团队使用的是通过机械加工的方式来生产设计模型,但效果令人很不满意。团队需要在不影响强度的情况下一步步减少每个部件的重量,但是他们发现,各个零部件在测试过程中反复从平台上脱落,导致了各种错误和资源浪费。每次重新开始都会造成相当多的时间浪费,并堆高每个部件的成本。

LIFT团队对解决这一困境的方法是求助于专注于3D打印技术的Materialise团队在。他们共同规划,充分利用了生成设计和3D打印的优点,同时将特定零件的安全系数设定得远超行规标准。

LIFT团队努力设计一款任何人都可以驾驶的飞机

 

解决

将生成设计与 3D 打印相结合

根据提供的CAD数据,团队首先使用SOLIDWORKS软件进行了静态模拟,从而取得了西门子NX软件(产品工程解决方案软件)重新设计ENDY所需的比较值。

首先,他们使用NX软件拓扑优化模块来定义设计空间和边界条件,例如固定点的位置、着力点,以及组件在实践中将面临的力的方向和强度。利用这些信息,软件创建了一个具有可视化力学分析的组件模型,3D打印专家利用NX Realize Shape工具中的自由形式建模,从而开发出新组件。几次迭代后,终于找到了完美的设计。

Balazs说:“软件帮助我们设计了一个非常好的设计方案,这种结构实际上只能用3D打印技术来制作。

下一步是使用Materialise Magics的模拟模块来模拟3D打印过程。对于这样的项目,模拟至关重要,因为组件的材质和结构是需要同时设计的,这就产生了很多的变量,这些变量会影响微观结构,从而影响零件的性能和重量。看到模拟的结果后,工程师们随即优化了组件在安装空间中的方向,并对零部件和零件支架进行了进一步的改进。

虽然设计和3D打印过程已经过测试,Materialise团队仍然需要确认重新设计的END-Y部件是否具有足够的强度。为了验证这一点,Materialise团队进行了静态模拟,证明它们能够承受所有载荷,而第一批3D打印显示所有长度公差均在DCTG 8(尺寸铸造公差等级)范围内。此外,零部件在3D打印过程中的变形都低于原设计方案,3D打印过程中的残余应力也低于原设计方案。

“与Materialise团队合作,我们在确认可行后,根据他们的建议对设计方案进行了微调,最终使零部件更容易打印,更节约打印用料,”Balazs解释道。“从那以后,我们一直在与Materialise团队合作。Materialise团队的反馈非常有建设性,切实帮助我们改进了设计。我们一起设计并生产了安全系数为10的零部件。实际上,这个安全指标非常高,超出预期。”

 

这台令人难以置信的机器在短短13个月内就从设计图纸变成了可以飞行的飞机。

 

最终结果

在短短13个月内从梦想变成现实

总体而言,LIFT Aircraft公司的两个最初目标——减轻重量和减少打印过程中的误差——都得到了实现,超出预期。最终的END-Y比第一版轻了约40%,重量为152克,而不是250克。由于每架飞机有六个END-Y部件,因此仅该部件就减少了近600克。另一方面,通过大幅降低支撑结构上的应力,团队确保了END-Y零件在3D打印过程中不再与支撑结构分离,从而大大减少了3D打印生产不合格而造成的材料浪费。

在这些改进的共同作用下,LIFT Aircraft公司在创纪录的时间内起完成了新飞机的试飞。借助于半自动飞行控制系统、电力动力装置以及大量的设计和工作热情,在不到13个月的时间内,Materialise团队将一个新颖的想法成功变成了一台可以载人飞行的设备。零部件的开发和生产的各个方面也都保持严格了“安全第一”的方针。

 

最后一个END-Y部件(左)的重量比原部件(右)轻约40%,重量为152克,而不是250

 

作为世界上最早生产电动垂直起降型直升飞机eVTOL飞机的企业之一,LIFT团队利用新型飞机HEXA已经开拓了崭新的领域。首席执行官(Matt)认为,这是一个创造性的开始,得益于团队学到的宝贵经验和正在使用的新型技术,LIFT公司完全有能力保持这一领先优势。

 

“因为新型飞行器不必申请FAA/EASA认证,所以我们的产品周期可以接近在科技领域里的产品周期,我们的目标是23年的周期,而不是航空行业2030年的典型周期。能够帮助我们实现这一目标的,正是是3D打印技术。”

首席执行官接着说:“在3D打印制造零部件方面,“你不必将金钱花费在大量需要模具的订单上,需要模具的订单只有在你需要数万件零部件的时候才有意义。如果你只需要做上千件零部件,3D打印就更经济。而且它也更快,所以我们可以更快地迭代,下一个版本可以更快地发布。

首席执行官总结道,“我们可以做到更好,同时仍然把安全放在首位,这是我们的责任。我们将率先推出,让人们可以驾驶垂直起飞降落的超轻型电动飞机。我们非常认真地对待这一责任,这意味着我们也非常认真地对待我们的设计和制造技术。”

 

博瑞科全三维,目前已经掌握了3D打印机翼、发动机等模型的技术,欢迎感兴趣的朋友前来洽谈。

 

 

 

 

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