كيفية البقاء في صدارة المنافسين من خلال الابتكار في تصميم أجزاء الطيران

في مجال الطيران والفضاء، يبدأ سباق الهيمنة على صناعة الطيران بقطع غيار طائرات أكثر ذكاءً. ويحتل الابتكار في تصميم القطع مركز الصدارة بين المصنّعين. وتُعيد الشركات النظر في شكل ووزن ووظيفة وتركيب المكونات الأساسية.

يمكن للتركيز المتزايد على تصميم الأجزاء أن يخفض التكاليف بشكل كبير. تُحدد ما يقرب من 70% إلى 80% من تكلفة دورة حياة المنتج خلال مرحلة التصميم، مما يجعلها المرحلة الأكثر فعالية من حيث التكلفة في الإنتاج. يعمل المهندسون على تقليل الوزن، وتحويل الأجنحة إلى كبائن معيارية، وتصميم طائرات الجيل التالي التي تُبنى على الأداء والكفاءة والاستدامة.

لماذا يُعد تصميم الأجزاء ساحة المعركة الجديدة للابتكار في مجال الطيران؟

يراهن قادة الطيران بشكل كبير على تصميم أجزاء أكثر استراتيجية لإدارة التكاليف وعدم اليقين في سلسلة التوريد.

قامت دلتا وإيرباص مؤخرًا بتوسيع شراكتهما الممتدة لعقود لتسريع وتيرة ابتكار قطع الغيار والأنظمة. ومن خلال مختبرات UpNext التابعة لإيرباص، تختبر الشركتان كل شيء بدءًا من تصاميم الأجنحة المتطورة ووصولًا إلى أنظمة مساعدة الطائرات، بهدف تحسين كفاءة استهلاك الوقود والاستجابة الهيكلية للأساطيل الجديدة والحالية.

تشارك دلتا بشكل كبير في العمليات الهندسية لشركة إيرباص من خلال المشاركة في الاختبارات وحلقات ردود الفعل المستمرة في التصميم.

في الوقت نفسه، تتعاون دلتا مع جيت زيرو لطرح هيكل طائرة مختلف تمامًا في السوق. يتميز الهيكل الجديد بتصميم "الجناح والجسم المختلط" (BWB)، الذي يُتيح خفض استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 50%. والأهم من ذلك، أن هذه التصاميم تستخدم محركات اليوم، مما يُثبت أن تحقيق مكاسب لا يتطلب دائمًا إصلاحات شاملة لنظام الدفع.

من الإرث إلى الانطلاق: تجاوز التصميم التقليدي

لم تُبنَ معظم تصاميم الطائرات القديمة مع مراعاة تكاليف الوقود أو أهداف الانبعاثات الحالية. كانت طائرات الأمس تُحسَّن للإنتاج الضخم، أما تصميم هيكل الطائرة اليوم فيخضع لإعادة تصميم جذرية.

يتخلى نموذج JetZero BWB عن هيكل الطائرة الضيق الأنبوبي الشكل، ليعتمد على هيكل عريض الجسم مدمج مباشرةً في الأجنحة. يستخدم هذا التصميم المحركات والبنى التحتية الحالية للمطارات، مع توفير قوة رفع أعلى، ومقاومة أقل، وتوزيع متوازن للوزن.

في غضون ذلك، أطلقت إيرباص مشروع "أجنحة الأداء الفائق" لاستكشاف أجنحة جديدة قابلة للتعديل في شكلها أثناء الطيران لتحقيق أقصى كفاءة ديناميكية هوائية. استُلهمت هذه الأجنحة الجديدة عالية الأداء من سلوك طيران الطيور، المصممة للاستجابة الديناميكية لظروف تدفق الهواء.

في كلا السيناريوهين، ليست المواد الجديدة أو أنظمة الدفع هي ما يُحدث اختراقات، بل التفكير المُبتكر فيما يُمكن للأجزاء فعله وما ينبغي لها فعله.

التصنيع الإضافي يغير قواعد اللعبة في تصنيع الأجزاء

نظريًا، يُمكّن التصنيع الإضافي المهندسين من طباعة أي شيء تقريبًا، وتقليل الهدر، وتخطي مرحلة التصنيع اليدوي، وتسريع عمليات التكرار. عمليًا، طبعت شركة بوينج بالفعل أكثر من 70 ألف قطعة لطائراتها باستخدام التصنيع الإضافي، بعضها يُحلق اليوم بنسب قوة إلى وزن أفضل من نظيراتها المُصنّعة آليًا.

تقدم هذه التقنية مزايا تتجاوز بكثير الوزن والتكلفة. تُطلق التقنية المضافة العنان للتصميم الوظيفي، مثل الأشكال الهندسية المعقدة كالهياكل الشبكية، والأجزاء الداخلية المجوفة، وقنوات التبريد الداخلية التي كان يُعتقد سابقًا أنها مستحيلة باستخدام الآلات التقليدية. أما مع التصنيع الإضافي، فقد أصبحت هذه الميزات متاحة بسهولة. تؤدي هذه الابتكارات إلى تحسين الأداء الحراري، وتخميد الاهتزازات، وإطالة عمر الإرهاق، خاصةً في بيئات الطيران القاسية.

قنوات التحكم البيئي المطبوعة من بوينغ مثالٌ بارز. أعاد المهندسون تصميم الهيكل الداخلي باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما قلل عدد القطع من عشرات القطع إلى قطعة واحدة، وخفّض تكاليف التجميع، وخفّض الوزن، وحسّن كفاءة تدفق الهواء.

مع انتشارها على نطاق واسع، تمنح التصنيع الإضافي فرق التصميم اليوم حرية إعادة التفكير فيما هو ممكن.

الجمع يلتقي بالهجين: صعود تصنيع الأجزاء متعددة العمليات

رغم أن التصنيع الإضافي فتح آفاقًا واسعةً أمام الأشكال الهندسية المعقدة، إلا أنه ليس الحل الأمثل دائمًا. إذ يتزايد اعتماد المصنّعين على دمج العمليات الإضافية مع تقنيات الطرح، مثل التصنيع باستخدام الحاسب الآلي (CNC)، لتحقيق تحمّلات دقيقة، وتشطيبات أكثر سلاسة، وتعزيزات هيكلية.

هذا النهج الهجين، الذي يُطلق عليه أحيانًا "التصنيع الإضافي-الطرحي"، يُستخدم في الأجزاء التي تتطلب هياكل شبكية داخلية لتوفير الوزن، ولكنها تتطلب أيضًا أسطحًا مُشَكَّلة لتوصيلات البراغي أو لدمجها مع المكونات القديمة. يتيح هذا النموذج مرونة في التصميم.والدقة في الملاءمة.

وقد بدأت شركة بوينج وغيرها من الشركات المصنعة للمعدات الأصلية بالفعل في أدوات الآلات الهجينة التي تتحول بين الترسيب بالليزر والطحن في نفس الإعداد، مما أدى إلى انخفاض معدلات الخردة والقدرة على التكرار بشكل أسرع على الأجزاء التي لم تكن قابلة للبناء في السابق.

يمكن لفرق تصميم الفضاء الجوي التي تتبنى الأساليب الهجينة أن تستخدم التصنيع كنقطة انطلاق لأفكار أكثر جرأة.

دور المحاكاة في تصميم أجزاء الجيل القادم

يبدأ تصميم الأجزاء الذكية من برامج النمذجة. يعتمد قادة صناعة الطيران والفضاء بشكل كبير على أدوات المحاكاة لاختبار الأجزاء افتراضيًا قبل بدء الإنتاج. هذه التقييمات الرقمية، سواءً للإجهاد الحراري أو ديناميكيات الموائع أو التعب مع مرور الوقت، تمنح المهندسين قدرة أكبر على مواجهة الأعطال مبكرًا، والتكرار بسرعة، وتجنّب جولات النمذجة الأولية المادية المكلفة.

تستخدم شركات مثل بوينغ وإيرباص بالفعل أدوات مثل سيمنز إن إكس وأنسيس وداسو سيستمز للتحقق من صحة القطع الجديدة، والتنبؤ بإجهاد المواد، ونمذجة أداء النظام بأكمله. تُعد هذه المحاكاة بالغة الأهمية بالنسبة لقطع التصنيع الإضافي المعقدة. يستخدم فريق بوينغ للتصنيع الإضافي النمذجة لاختبار القطع المُحسّنة طوبولوجياً (ذات هندسة عالية الكفاءة وخفيفة الوزن) والتي يستحيل تقييمها باستخدام الطرق القديمة.

هذه الأدوات ضرورية أيضًا للتوسع. فمع ازدياد تعقيد الأجزاء، تُقلل المحاكاة الحاجة إلى عمليات بناء واختبارات مادية متعددة ومكلفة، مما يجعل الابتكار أسرع وأقل تكلفة دون المساس بمعايير السلامة أو الاعتماد.

رشيق، وخفيف الحركة، ومختبر في الطيران

لا يُجدي تصميم الأجزاء المبتكر نفعًا إلا إذا كان قابلًا للتوسع. وهنا تدمج فرق التصميم الحديثة التطوير السريع، والتحقق القائم على المحاكاة، وحلقات التغذية الراجعة الواقعية لتسريع دورات الإنتاج بأمان.

يتضمن تعاون دلتا مع إيرباص اختبار طيران حيّ لتقنية "فيلو فلاي"، وهي تقنية تحاكي شكل حرف V للأوز المهاجرة. تُولّد الطائرة الرائدة تيارًا هوائيًا صاعدًا تستطيع الطائرة الخلفية ركوبه لتقليل السحب وتوفير الوقود. ويُعدّ هذا تحسينًا في الديناميكية الهوائية بفضل تصميم دقيق للأنظمة ومحاكاة شاملة قبل بدء الرحلات التجريبية.

في الوقت نفسه، تُطبّق شركات مثل JetZero مبادئ التصنيع الرشيق على سير عمل تصميم الطائرات بأكمله. من خلال التركيز على أجزاء أقلّ عدداً وأكثر تعدداً في الوظائف وبناءالتوائم الرقميةبفضل تطوير طائراتهم في وقت مبكر، أصبحوا قادرين على التكرار بشكل أسرع والتعاون بشكل أعمق مع شركاء مثل دلتا والقوات الجوية الأمريكية.

إن هذا النهج، التصميم السريع، والاختبار المتكرر، والفشل المسبق، أصبح بشكل متزايد معيارًا في برامج الفضاء الجوي المتقدمة.

الإلهام بين القطاعات: الاقتراض من قطاع السيارات والدفاع

قد يتجاوز قطاع الطيران حدوده في مجال الطيران، إلا أن بعضًا من أذكى استراتيجيات تصميم أجزائه تأتي من خارج هذه الصناعة. وتنتشر الآن أفكار قطاعي السيارات والدفاع، الرائدين منذ زمن طويل في مجال خفة الوزن، والتركيب المعياري، وممارسات التصميم للتصنيع، في مجال الطيران.

على سبيل المثال، مهد استخدام صناعة السيارات لبرمجيات التصميم التوليدي الطريق لأجزاء الطائرات التي تُعطي الأولوية لكفاءة المواد. وتشبه دعامة حزام الأمان المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من جنرال موتورز - وهي قطعة واحدة استُبدلت بثمانية مكونات - من الناحية النظرية طريقة بوينغ في تقليل عشرات قطع قنوات الهواء إلى قطعة واحدة من التصنيع الإضافي.

في الوقت نفسه، ألهم التاريخ الطويل لقطاع الدفاع في مجال الأسلحة المعيارية وأنظمة الطائرات بدون طيار إعادة النظر في التصميمات الداخلية للطائرات وبروتوكولات صيانتها. ويعتمد استكشاف إيرباص لمناطق الشحن والركاب المعيارية بشكل مباشر على تصميم الدفاع، حيث يتطلب الأمر إعادة تصميم سريعة للمهام.

تُظهر استراتيجيات التقاطع هذه أن الابتكار في تصميم الأجزاء لا يحتاج إلى ابتكار من الصفر. أحيانًا، تكمن الميزة في تكييف ما ثبتت فعاليته في بيئات عالية المخاطر.

كيفية تأمين عملية تصميم أجزائك الخاصة للمستقبل

لستَ بحاجةٍ إلى أن تكونَ إيرباص أو دلتا لتحديث نهجك. ما عليكَ سوى اتباع نهجٍ تكامليٍّ في التصميم. تُعامل فرقُ الفضاء الأكثرُ استشرافًا للمستقبل التصميمَ والاختبارَ والتصنيعَ والاستدامةَ كوحدةٍ واحدةٍ منذ البداية.

وهذا يعني:

العامل البشري: كيف يشكل المشغلون والمصممون التصميم

أذكى تصاميم أجزاء الطيران هي تلك التي تتميز بالديناميكية الهوائية، والكفاءة من حيث التكلفة، والوعي البشري. ويتزايد اهتمام المصنّعين باحتياجات فرق الصيانة والطيارين والمشغلين عند تصميم المكونات، لأن حتى أكثر الأجزاء تطورًا قد تتعطل إذا كان من الصعب جدًا استخدامها أو إصلاحها في ظروف التشغيل الفعلية.

تعاون مهندسو قسم العمليات التقنية في دلتا بشكل وثيق مع شركاء التصميم لتقليل عدد أدوات التثبيت وتبسيط نقاط الوصول إلى الأنظمة الحيوية. يمكن لتغيير بسيط، مثل إعادة توجيه مزلاج أو إضافة مؤشرات بصرية، أن يوفر آلاف ساعات العمل سنويًا على مستوى الأسطول.

يؤثر الطيارون أيضًا على التصميم. وقد انبثق إدخال إيرباص لعصا التحكم الجانبية وشاشات العرض الأمامية من ردود فعل قمرة القيادة، والتي تهدف إلى تخفيف العبء الذهني وتحسين زمن الاستجابة في المواقف شديدة التوتر.

ومع تزايد تكيف المقصورات وتزويدها بالتقنيات اللازمة، يزداد استشارات موظفي شركات الطيران بشأن تجربة المستخدم. ولم يقتصر دور دلتا في تخطيط مقصورة جيت زيرو على الجوانب الجمالية فحسب، بل ساهمت مساهمات الموظفين في ضمان وصول أطقم الخدمة بكفاءة إلى أماكن التخزين، ودعم الركاب ذوي الإعاقة الحركية، والتنقل بأمان على متن الطائرات.

الشركات التي تُشرك مستخدميها النهائيين تتجاوز الأداء النظري إلى التصميم المُناسب للظروف الواقعية. هذه الحلقة من ردود الفعل البشرية، التي غالبًا ما يتم تجاهلها، تُمثل غالبًا الميزة التنافسية الرابحة.

التصميم للدفع البديل

إن التحول نحو الهيدروجين والكهرباء والوقود المستدام للطائرات يغير ما يجب على المصممين التخطيط له منذ اليوم الأول.

على سبيل المثال، يتطلب الدفع بالهيدروجين تخزينًا مُبرَّدًا واحتواءً عالي الضغط. وهذا يُغيِّر كل شيء، بدءًا من مركز الثقل وصولًا إلى مكان وضع التعزيزات الهيكلية. وقد حفَّز برنامج إيرباص ZEROe، الذي يتضمن طائرة تجارية تعمل بالهيدروجين، ابتكاراتٍ في تصميم الأجزاء في مراحلها الأولى، بدءًا من الحماية الحرارية ووصولًا إلى المواد التي لا تتكسر تحت دورات التبريد المكثفة.

تتطلب الطائرات الكهربائية تنازلات مختلفة. فالبطاريات ثقيلة الوزن وعرضة لارتفاع درجة الحرارة، مما يعني ضرورة استخدام أجزاء أخف وزنًا في أماكن أخرى، بالإضافة إلى تصميم تدفق هواء أكثر ذكاءً. كما تدفع متطلبات الإدارة الحرارية والتكرار فرق التصميم إلى إعادة النظر في الطرق التقليدية لتوزيع المحركات والقنوات، وحتى معدات المقصورة.

وبشكل عام، فإن التصميم من أجل دفع أكثر خضرة يعني إعادة هندسة ما يحيط به، ويبدأ ذلك على مستوى الجزء.

الدروس المستفادة للشركات المصنعة التنافسية

إذا كنت لا تزال تعامل تصميم الأجزاء كمرحلة ثابتة في عملية خطية، فلديك فرصة هائلة لإعادة التفكير في دورة حياة منتجك بالكامل، وخفض التكاليف، وتسريع التطوير، وبناء طائرات أكثر مرونة وجاهزة للمستقبل من الألف إلى الياء.

تُصمّم بوينغ قطعًا لم تكن موجودة قبل خمس سنوات. وتستخدم إيرباص الأوز الطائر كنموذج لكفاءة المسارات. وتُعيد جيت زيرو النظر في مفهوم الطائرة.يكونهذه ليست مشاريع جانبية؛ بل هي العمل الرئيسي الذي أصبح ممكنًا بفضل ثقافة متعددة الوظائف، تركز على المحاكاة أولاً، وتعطي الأولوية للسلامة والاستدامة.

مستقبل الطيران مبني على التفاصيل. الأساليب القديمة تتعثر. التصاميم الجديدة، المصقولة بأدوات ذكية ودروس مستفادة، تُرسخ ميزة تنافسية. هكذا ستصمد الطائرات أمام الاختبار: رشيقة، فعالة، وجاهزة.

هل أنت مستعد للبناء لما هو قادم؟احجز محادثة سريعة؛دعونا نتحدث اليوم.

موارد:

حوليات CIRP

دلتا نيوز

دلتا نيوز

بوينج IQ

مركز إيرباص للابتكار

إيرباص زيرو إي