Бионический дизайн и аддитивные технологии в авиастроении

Методология проектирования, при которой компьютерные технологии позволяют управлять процессом автоматизированной генерации создаваемых объектов, называется генеративным дизайном. Получение максимально эффективного результата выражается в предоставлении возможности конструктору принять взвешенное решение при выборе окончательного варианта проектируемого изделия. Используя встроенные языки программирования САПР, проектировщик может создавать собственные алгоритмы генерации решений, используя при этом потенциал нейронных сетей. На ранее обученных моделях система самостоятельно извлекает зависимости из набора данных, это называется «машинным обучением» или «искусственным интеллектом».

При таком подходе возможно использование поискового алгоритма на основе механизмов биологической эволюции, когда создание вариаций и их оценку выполняет сама система, минимизируя участие человека в промежуточных поисковых итерациях. Объекты, спроектированные подобным образом, внешне отличаются от обычных техногенных изделий и имеют выраженные черты, присущие, например, растениям, либо имитируют строение конечностей или костей. Именно поэтому такой способ проектирования часто называют бионическим дизайном, а термин «генеративный дизайн» используется в связи с тем, что геометрия подобных конструкций генерируется системой автоматизированного проектирования.

Главная задача бионического дизайна – снижение веса объекта при сохранении или даже увеличении его исходной прочности. Именно поэтому такие решения востребованы в авиастроении, где каждый сэкономленный килограмм ведёт к улучшению технических параметров, управляемости, аэродинамических качеств, а также к повышению экономической эффективности конечного изделия.

Другая смежная задача в генеративном дизайне – экономия дорогих материалов, таких как сложные сплавы или редкие металлы. Бионический подход в проектировании позволяет при некоторых технологических процессах тратить на 30 или даже 50 процентов меньше материала. Как следствие, это положительно влияет на стоимость таких изделий.

В тесном взаимодействии с бионическим дизайном идут аддитивные технологии. Традиционные методы производства не в состоянии реализовать проекты со сложной структурой нестандартных элементов, которую предлагает бионический дизайн. Сегодня в большинстве случаев создание новых сложных конструкций возможно только с помощью 3D-печати, когда методом послойного наплавления «печатается» физический объект по цифровой 3D-модели. Аддитивные технологии позволяют изготовить элементы с любыми толщинами, искривлениями, полостям, сетчатой и ячеистой структурами. К тому же послойное построение придаёт бионическим объектам ещё большую прочность и устойчивость к нагрузкам.

Первую деталь на основе бионического дизайна разработало ОКБ Сухого – это алюминиевый силовой кронштейн для истребителя Су-57 (на фото). «Сухой» стал одним из пионеров по применению электронного макета изделия с использованием высокопроизводительных компьютерных вычислений. Центр суперкомпьютерных технологий ОКБ Сухого исследовал модели движения самолёта на больших углах атаки, нестационарную аэродинамику при отклонении органов управления и при их отказах, решал многочисленные задачи по применению авиационных средств поражения и отделяемых грузов. Бионический кронштейн также разрабатывался с использованием мощностей Центра.

Специалисты Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) из созданной на его базе отечественной металлопорошковой композиции алюминиевого сплава напечатали деталь на 3D-принтере. Дизайн больше напоминает кость какого-нибудь доисторического животного, чем деталь истребителя пятого поколения. Новый кронштейн на четверть легче своих предшественников, выполненных по традиционным технологиям. Деталь почти полуметровой длины изготовлена методом лазерного спекания всего за одну ночь. Традиционная механическая обработка алюминиевой заготовки заняла бы не меньше недели. Благодаря применению 3D-печати в детали удалось создать полости, к которым на обычном станке с программным управлением при обработке детали подобраться невозможно.

В ОКБ Сухого существует собственная 3D-лаборатория, где методом стереолитографии изготавливаются десятки различных деталей для самолётов. Изготовленные таким методом детали хорошо знакомы лётчикам истребителей Су-57. Например, на ручке управления самолётом расположено несколько функциональных кнопок, к которым пальцы лётчика не всегда дотягивались. После замечаний, сделанных пилотами, инженеры ОКБ быстро доработали первоначальный проект и предложили более удобный вариант, который был напечатан на 3D-принтере ОКБ.

Послойным синтезом напечатана, а затем отлита в металле также педаль управления самолётом. Кроме того, множество деталей с использованием аддитивных технологий делается для продувочных моделей новой авиационной техники. Использование методов 3D-печати позволяет быстро доработать конструкцию какого-либо отдельного агрегата, например, кронштейна, и запустить его в производство.

Чисто внешне напечатанные на 3D-принтере детали выглядят непохожими на большинство элементов конструкций, спроектированных за последние десятилетия. Со временем, благодаря меньшей массе и удобству выпуска, они могут заметно потеснить детали, созданные по традиционным технологиям.

По теме: