飞机工厂如何寻求创新?AI设计师正在扛起重任

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记者|彭新

乍眼看去,下图的飞机结构模型更像是某种鸟类的仿生骨骼和肌肉模型,白色且粗细纷歧的合金桁架纵横交织,密密麻麻支撑着整个结构。这种奇异造型给人的第一印象是:它太懦弱,显得有些不稳定,可能无法满足航行时的结构要求。

不要上当,只管看起来如此“懦弱”,它已经是成千上万种潜在结构设计方案中最结实的一种。在人工智能到场下,新的设计方式正在改变飞机这种人类最重要和最庞大工业产物的设计和制造方法。

在外行人眼中,民用客机的外部结构已经数十年没有什么改变:都是一样带着舷窗的大管子,机身约莫一半处有两个后掠机翼向两侧伸出,机尾装有两个稳定翼——两个水平、一个垂直,而装有发念头的吊舱挂在机翼下方的支架上。

革新的空间存在于看不见的地方,好比,更好的质料使飞机变得更轻巧,革新的发念头降低了运营成本并降低噪音,更先进的航电设备有助于打造更宁静的航行。如今,随着盘算机算力增长,飞机制造商在设计层面有了更多选择。

图片泉源:空中客车

一种名为“衍生式设计”的新设计方案,正由空中客车公司接纳。所谓衍生式设计,其基本观点是设计师通过向电脑设定目的,告诉它想到达的效果和限制——一系列约束条件,设计发生和拓展出种种创意想法,最终发生新的设计内容。

从效果上来看,衍生式设计会发生出已往无法造出的庞大工程设计效果,而先进制造领域的迅速生长如今可落实这个梦想。

2015年,空中客车公布了其首个衍生式设计观点证明原型——“仿生隔板”,该结构用于分开搭客舱和飞机厨房区域,也是飞机隔离板和后座支撑结构。“我们的隔板通常都很是重,基本就是一堵墙。” 空中客车工程师Bastian Schaefer说,“基本上需要通过质料和设计上的选择,缔造一种新的结构。”

空中客车的事情人员对仿生隔板的安置举行测试。

通常盘算机生成的设计比人工设计方案更结实、轻巧。得益于盘算机算力的提升,快速的力学结构盘算成为可能,完成结构设计后,再经由3D打印实现生产。而且,如开头所言,这种结构看起来都很怪异,很难被人想象出来,但正如生物学家D·Arcy Wentworth Thompson所言,“工具的形式就是其受力争”,借助3D打印技术,这些怪异的结构得以成为现实。

举行设计的工具由软件公司欧特克(Autodesk)提供,该公司研究院总监David Benjamin告诉界面新闻,接纳衍生式设计生产出造型特此外部件并不奇怪:“就似乎它们是自然历程中‘发生’而非‘制造’出来的,算法在结构内部举行调整,从而无需添加非必须的部件。”

“人类工程师总是有意或无意思量制造限制因素。盘算机就没有这种由来已久的偏见,因此它可以发生人类大脑永远不会想到的种种设计方案。” 欧特克制造和修建产物高级副总裁Scott Reese说。

宁静性是另一个思量,这再次提高了飞机机舱内部各部件的需求。“我们还必须对隔板举行动载试验,即所谓的16g(重力单元)测试,保证组件的宁静性。此外,它还涉及很是庞大的静态测试或各个偏向的差别主题测试。” Bastian Schaefer说。

空中客车公司预计,新的机舱隔板设计每年可节约多达46.5万吨二氧化碳排放。

另一个设计目的则是减排,飞机上的所有物品都带来了重量,使得油耗提高。凭据《国家地理杂志》统计报道,搭客随身携带小我私家物品平均油泯灭用颇为可观,好比条记本电脑平均航行油泯灭用为23美分,枕头是6美分,杂志到达5美分,这些都是客机运营的隐藏成本。但由于航空燃料每公斤的能力密度要大于电池,而到现在为止替代石化燃料的实验基本宣告失败,因此航空业是最不容易通过脱碳来减排的行业。

至今,基于衍生式设计,空中客车的仿生隔板已经进化到2.0版本, 重量比传统零件轻了45%,但强度相当。空中客车公司预计,新的机舱隔板设计每年可节约多达46.5万吨二氧化碳排放。

Bastian Schaefer还称,修改后的设计大幅提升了仿生隔板的生产可行性。第一个原型已经投入生产,工艺和技术的生长,已经到了可以更低的成本制造多个产物的阶段。”

空中客车还实验使用衍生式设计来重新设计飞机的更多部件,从垂直尾翼(基于新设计,新产物比以前轻了20%),再到座椅腿和内部结构。以及如何优化飞机制造工厂以获得最佳生产/成本比。

基于衍生式设计的3D打印垂直尾翼。

空中客车正计划在德国汉堡新建的一家发念头工厂就是例子,该工厂于今年动工。在欧特克资助下,衍生式设计应用到其工厂建设中。

飞机制造差别于汽车的流水线制造方式,后者总成(一系列产物组成一个整体,实现一个特定功效的零部件系统的总称,如发念头总成)移动,物料牢固。而飞机属于离散型制造的代表,总成不能做成流水线一样,物料一般围绕总成展开。

一家飞机制造工厂里的工人并不多,飞机则凭据安装的差别步骤在差别的工位移动,关键在于控制零配件的生产项目进度,保证生产制造的成套性。无论是生产还是治理,其中的挑战并不小。

空中客车团队确定了要使用衍生式设计系统举行评估的10个限制条件,其中一些条件的重要性更高,好比效率和成本。员工事情条件、可连续性也是思量选项之一。

“对于修建物或飞机,必须思量内部人员的舒适度,质料能耗,生产效率和成本。” David Benjamin说。

最终,盘算机为空中客车提供了两项方案:占地面积超出通例的较大修建物,或者对相同的工厂元素经由优化、占地更小的矩形面积的修建物。

可想而知,当设计生产流程发生改变,底层供应体系也将迎来变化。初创公司Hack Rod缔造出全球首辆在VR情况内、由衍生式设计指导的汽车。该公司首创人、前职业赛车手McCoy说:”联合协同创作的传神VR设计与人工智能技术催生出的衍生式设计、机械学习和先进制造技术,会缔造出未来的供应链,将大型组织的气力交到每小我私家的手中。”

“当我们制造第一个仿生隔板时,衍生式设计对于大多数客户来说可望不行即。然后有人问,机翼可以这样做?工厂设计能不能同样如此?”David Benjamin说。“但始终,我们着眼于衍生式设计的大规模应用。”