3D打印加持仿生学,绚丽的蛛网分区让空客的飞机成功"瘦身"

  • 来源:36氪

技术+脑洞=更美好的未来

3D打印技术的进步释放了设计师的想象空间。他们可以突破传统工艺的限制,在自然界寻找合适的材料来打印想要的物品,赋予其最优化的外形、最高的强度,同时又保证最少的浪费。

空客和欧特克公司(Autodesk Inc.)的设计师设计了新型的飞机客舱分区。他们的脑洞很大,灵感竟然来源于:黏菌(slime molds,一群类似霉菌的生物,会形成具有细胞壁的孢子,但是生活史中没有菌丝的出现,而有一段黏黏的时期,因而得名)和动物的骨骼。

空客希望设计一个更轻质的、3D打印的分区。黏菌在森林里蔓延来觅食点燃了设计师们的灵感,他们最终创造了一个复杂的格子架,用超过60000个小金属棒按照类似动物骨骼的框架搭建起来。

3D打印加持仿生学,绚丽的蛛网分区让空客的飞机成功"瘦身"

这件产品是空客子公司APWorks生产的,采用一种被称为scalmalloy的新型超强、轻质合金材料使用直接金属激光烧结成型技术3D打印而成的,将用于空客A320飞机。这是空客第一次将金属3D打印部件用于飞机机舱的设计。

如下图所示,根据开发人员的计划,它将用于分隔客舱后部的厨房区域。虽然听起来并不复杂,但是里面还要放置急救的担架,以及可折叠的供乘务员休息的座位。最终这个格子架只有80磅,相比原来的重量减轻了45%。飞机瘦身意味着消耗的燃料更少,每年每一架飞机少排放10吨的二氧化碳。“事实证明,这是一个很棒的主意。“Autodesk团队的领导David Benjamin这样说。

3D打印加持仿生学,绚丽的蛛网分区让空客的飞机成功"瘦身"

这个仿生结构的设计思路实际上是将结点像蛛网那样相互连接,使得材料的用量达到最小。更重要的是,这种结构设计能够保证如果有多个节点因受到冲击而断裂的话,其整体结构还将保持在正确的地方。而且,一个独立的隔离结构总共需要122件3D打印的部件——它们需要7个批次进行分别打印。研究人员还使用定制的算法为其设计出了蜂窝式结构,这种结构特别适合航空零件的高强度、低重量要求。

空客已经将它注册为商业用途。空客也因为这项发明获得了德国联邦Ecodesign奖,这个奖项是授予那些“环保且美好”的新概念和新产品。空客凭借这项发明从160个海选项目、26个正式提名中脱颖而出。

计算、成像能力的飞跃,加上3D打印技术的进步,让工程师们可以空前力度地利用仿生学。尤其是金属3D打印创造很多产品,而这种增材制造的方式本质上也和树木、骨骼的生成方式很相似:一个单元接着一个单元,并且浪费最少。

Benjamin认为计算机计算能力和3D打印的结合,带来了指数级的影响。

大型制造商比如空客、波音、通用电气、戴勒姆公司和西门子已经打印了很多金属部件,许多架构的灵感便来自于大自然。行业年鉴Wohlers Report 2016显示,3D金属打印系统的全球总销量2009年只有125台,去年已经飙升到了808台。用于建造该系统的金属2009年时销售额是1200万美元,去年则达到8800万美元。

通用公司上个月斥资逾10亿美元收购了Concept Laser 的75的股份,以及瑞典Arcam的76.15%股份。两家都是3D金属打印的领军企业。从技术路线划分,Concept Laser是激光金属3D打印,适合打印精度较高的飞机零部件;而Arcam属于电子束金属3D打印路线,适合打印大件的精度要求不高的飞机零部件。

通用公司正在为空客和波音生产成千上万的发动机燃料喷嘴。飞机行业是较早使用3D打印技术的行业之一,因为相比传统工艺来讲,3D打印的产品质量要轻很多。

尽管越来越多的人接受3D打印的观念,但是目前可以利用自然法则进行设计的工程师依然为数不多。而且,相比于大批量生产的传统工艺,3D金属打印的速度仍然较慢,并且成本更高。此外,3D打印的合金在高应力空间比如宇宙空间里会怎么磨合,这方面的知识也还处于初级阶段,这也使得监管机构采取了更保守的态度。

欧洲航空安全局的发言人说:”这些新技术,特别是3D打印,不得降低现有的安全水平。”

设计者从大自然中寻找灵感并不稀奇。莱特兄弟受到鸟类的启发发明了飞机,瑞士工程师德梅斯特拉尔看到带刺的鬼针草种子,发明了尼龙搭扣。但是在没有3D打印之前,想要复制生物的复杂性往往不可行。

增材制造的过程中,将利用激光或电子束焊接金属粉末。它可以创造所需的几乎任何形状。在传统工艺中,设计受限于已有的模具和加工机器,而且会消耗多余的材料。

想要完成一个设计,设计师首先分析一些想要达到的参数,比如外形和强度,然后用软件生成成千山万的可能结构,然后再打磨设计,达到最优化。这些设计将越来越浑然天成,就像自然界发现的一样。

德国3D打印先锋EOS GmbH公司的一位工程师Julia Schmidt-Petersen说:“生长(growing)在自然界是一个添加(additive)的过程。”Schmidt-Petersen女士在研究海洋生物学和工程学。在一次会议上,她提出可以模仿鲨鱼腮来设计飞机引擎的冷却叶片。

德国的企业和机构尤其热衷于金属3D打印。亚琛的Fraunhofer激光科技研究所,作为德国非盈利协会Fraunhofer的一部分,掌握了一个选择性激光融化的专利,这个至关重要的专利是3D打印的基础。

这个领域的竞争也越来越激烈,英国的Renishaw PLC正在扩张。德国工业巨头西门子8月购买了收购了3D打印公司MSL(Materials Solutions Ltd.)。包括Stratasys Ltd.、3D Systems Inc.在内的美国增材制造商,在行业内处于领跑地位。惠普新近也入局了3D打印领域。欧特克、Altair Engineering、达索系统等电脑公司也正在发展3D打印模拟技术。

36氪 APP 下载
广告