3D打印加持仿生学让空客飞机成功＂瘦身＂
- 来源：3D打印智造网
- 编辑：沐子飞
- 2017/1/3 11:49:10
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【中国智能制造网 技术前沿】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，赋予其优化的外形、高的强度，同时又保证少的浪费。
3D打印加持仿生学 让空客飞机成功＂瘦身＂
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。
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。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 让空客飞机成功＂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，这个至关重要的是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。
(原标题：3D打印加持仿生学，绚丽蛛网分区让空客飞机成功"瘦身")
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