Come rimanere un passo avanti rispetto alla concorrenza grazie all'innovazione nella progettazione dei componenti aeronautici

Nel settore aerospaziale, la corsa al dominio dei cieli inizia con componenti aeronautici più intelligenti. L'innovazione nella progettazione dei componenti sta assumendo un ruolo centrale tra i produttori. Le aziende stanno ripensando forma, peso, funzione e costruzione dei componenti critici.

Una maggiore attenzione alla progettazione dei componenti può ridurre drasticamente i costi. Circa il 70-80% del costo del ciclo di vita di un prodotto viene determinato durante la fase di progettazione, rendendola la fase di produzione con il maggiore impatto sui costi. Gli ingegneri stanno riducendo il peso, trasformando le ali in cabine modulari e progettando velivoli di nuova generazione costruiti attorno a prestazioni, efficienza e sostenibilità.

Perché la progettazione dei componenti è il nuovo campo di battaglia dell’innovazione nell’aviazione

I leader dell'aviazione stanno puntando molto su una progettazione più strategica delle parti per gestire i costi eincertezza della catena di fornitura.

Delta e Airbus hanno recentemente ampliato la loro partnership pluridecennale per accelerare l'innovazione di componenti e sistemi. Attraverso i laboratori UpNext di Airbus, stanno testando di tutto, dai progetti avanzati delle ali ai sistemi di assistenza agli aeromobili, con l'obiettivo di migliorare l'efficienza nei consumi e la reattività strutturale delle flotte nuove ed esistenti.

Delta è fortemente coinvolta nei processi di progettazione di Airbus attraverso la partecipazione ai test e i continui cicli di feedback sulla progettazione.

Allo stesso tempo, Delta sta collaborando con JetZero per lanciare sul mercato un telaio di aeromobile radicalmente diverso. La nuova struttura è un design blended wing-body (BWB) che ha il potenziale per ridurre il consumo di carburante fino al 50%. Fondamentalmente, questi design BWB utilizzano motori odierni, a dimostrazione del fatto che i miglioramenti non sempre richiedono radicali revisioni della propulsione.

Dall'eredità al decollo: andare oltre il design tradizionale

La maggior parte dei progetti di aeromobili tradizionali non è stata progettata tenendo conto degli attuali costi del carburante o degli obiettivi di emissione. Gli aerei di ieri erano ottimizzati per la produzione di massa, ma il design della cellula di oggi è stato radicalmente ripensato.

Il modello BWB di JetZero abbandona la fusoliera stretta e tubolare per un telaio wide-body integrato direttamente nelle ali. Questo design sfrutta i motori e le infrastrutture aeroportuali esistenti, offrendo al contempo maggiore portanza, minore resistenza aerodinamica e una distribuzione uniforme del peso.

Nel frattempo, Airbus ha lanciato il progetto "eXtra Performance Wing" per esplorare nuove ali in grado di adattarsi in volo per la massima efficienza aerodinamica. Il comportamento di volo degli uccelli è l'ispirazione per queste nuove ali ad alte prestazioni, costruite per rispondere dinamicamente alle condizioni del flusso d'aria.

In entrambi gli scenari, non sono i nuovi materiali o i nuovi sistemi di propulsione a determinare le innovazioni. Piuttosto, è una nuova concezione di ciò che i componenti possono e dovrebbero fare.

La produzione additiva sta cambiando il gioco dei componenti

La produzione additiva (AM), in teoria, consente agli ingegneri di stampare praticamente qualsiasi cosa, ridurre gli sprechi, evitare la lavorazione degli utensili e accelerare le iterazioni. In pratica, Boeing ha già stampato oltre 70.000 componenti per i suoi aerei utilizzando l'AM, alcuni dei quali volano oggi con un rapporto resistenza/peso migliore rispetto alle loro controparti lavorate meccanicamente.

La tecnologia offre vantaggi che vanno ben oltre il peso e il costo. La produzione additiva sblocca la progettazione funzionale, come geometrie complesse come strutture reticolari, interni cavi e canali di raffreddamento interni, che un tempo si riteneva impossibili con la lavorazione meccanica tradizionale. Con la produzione additiva, ora sono un obiettivo lecito. Queste innovazioni portano a migliori prestazioni termiche, smorzamento delle vibrazioni e resistenza alla fatica, soprattutto in ambienti di volo difficili.

I condotti di controllo ambientale stampati di Boeing ne sono un esempio lampante. Gli ingegneri hanno riprogettato la struttura interna utilizzando la stampa 3D, riducendo così il numero totale di componenti da decine a uno, riducendo drasticamente la manodopera di assemblaggio, riducendo il peso e migliorando l'efficienza del flusso d'aria.

Ampiamente diffusa, la produzione additiva offre ai team di progettazione di oggi la libertà di ripensare a ciò che è possibile.

L'additivo incontra l'ibrido: l'ascesa della produzione di componenti multiprocesso

Sebbene la produzione additiva abbia aperto le porte a geometrie complesse, non è sempre la soluzione definitiva. Sempre più spesso, i produttori combinano processi additivi con tecniche sottrattive come la lavorazione CNC per ottenere tolleranze strette, finiture più uniformi o rinforzi strutturali.

Questo approccio ibrido, a volte chiamato "produzione additiva-sottrattiva", si sta rivelando utile in componenti che necessitano di strutture reticolari interne per ridurre il peso, ma richiedono anche superfici lavorate per i collegamenti a bullone o per l'accoppiamento con componenti legacy. Il modello consente flessibilità nella progettazione.Eprecisione nella vestibilità.

Boeing e altri OEM stanno già investendo in macchine utensili ibride che passano dalla deposizione laser alla fresatura nella stessa configurazione, riscontrando minori tassi di scarto e la possibilità di iterare più velocemente su parti precedentemente non realizzabili.

I team di progettazione aerospaziale che adottano metodi ibridi possono usare la produzione come trampolino di lancio per idee ancora più audaci.

Il ruolo della simulazione nella progettazione di componenti di nuova generazione

La progettazione di componenti più intelligenti inizia dal software di modellazione. I leader del settore aerospaziale si affidano ampiamente agli strumenti di simulazione per sottoporre virtualmente i componenti a stress test prima che entrino in produzione. Queste valutazioni digitali, che si tratti di stress termico, fluidodinamica o affaticamento nel tempo, offrono agli ingegneri maggiori possibilità di individuare guasti in anticipo, iterare rapidamente ed evitare costosi cicli di prototipazione fisica.

Aziende come Boeing e Airbus utilizzano già strumenti come Siemens NX, Ansys e Dassault Systèmes per convalidare nuovi componenti, prevedere la fatica dei materiali e modellare le prestazioni dell'intero sistema. Per componenti AM complessi, questa simulazione è fondamentale. Il team di produzione additiva di Boeing utilizza la modellazione per testare componenti ottimizzati per topologia (geometrie altamente efficienti e dal peso ridotto), che sarebbero impossibili da valutare con metodi tradizionali.

Questi strumenti sono essenziali anche per la scalabilità. Man mano che i componenti diventano più complessi, la simulazione riduce la necessità di molteplici e costosi progetti e test fisici, rendendo più rapido ed economico innovare senza compromettere la sicurezza o gli standard di certificazione.

Snello, agile e testato in volo

La progettazione innovativa dei componenti è importante solo se scalabile. È qui che i moderni team di progettazione combinano sviluppo agile, validazione basata sulla simulazione e cicli di feedback reali per accelerare i cicli in modo sicuro.

La collaborazione di Delta con Airbus include test di volo dal vivo di "fello'fly", una tecnica che imita la formazione a V delle oche in migrazione. L'aereo di testa genera una corrente ascensionale che l'aereo di coda può sfruttare per ridurre la resistenza aerodinamica e risparmiare carburante. Si tratta di un'ottimizzazione aerodinamica resa possibile da un'attenta progettazione dei sistemi e da un'ampia simulazione prima ancora dell'inizio dei voli di prova.

Nel frattempo, aziende come JetZero stanno applicando i principi lean a tutti i flussi di lavoro di progettazione degli aeromobili. Concentrandosi su un numero inferiore di componenti multifunzionali e costruendogemelli digitalidei loro aerei in anticipo, sono in grado di iterare più velocemente e collaborare più approfonditamente con partner come Delta e l'aeronautica militare statunitense.

Questo approccio, basato su progettazione rapida, test frequenti e verifica anticipata dei guasti, sta diventando sempre più uno standard nei programmi aerospaziali avanzati.

Ispirazione intersettoriale: prendere spunto dal settore automobilistico e della difesa

L'industria aerospaziale sta forse ampliando i confini del volo, ma alcune delle sue strategie di progettazione dei componenti più intelligenti provengono da fuori settore. Le intuizioni dei settori automobilistico e della difesa, da sempre pionieri in materia di leggerezza, modularità e pratiche di progettazione per la produzione, stanno ora contagiando anche l'aviazione.

Ad esempio, l'uso di software di progettazione generativa da parte dell'industria automobilistica ha aperto la strada a componenti aeronautici che privilegiano l'efficienza dei materiali. Il supporto per cintura di sicurezza stampato in 3D di GM – un singolo pezzo che ha sostituito otto componenti – è concettualmente simile al modo in cui Boeing ha ridotto decine di pezzi di condotto in un singolo componente AM.

Nel frattempo, la lunga tradizione del settore della difesa in materia di sistemi d'arma e droni modulari ha ispirato la rivisitazione degli interni degli aeromobili e dei protocolli di manutenzione. L'esplorazione di Airbus di zone cargo e passeggeri modulari trae spunto direttamente dalla progettazione della difesa, dove è richiesta una rapida riconfigurazione della missione.

Queste strategie di crossover dimostrano che l'innovazione nella progettazione dei componenti non deve essere inventata da zero. A volte, il vantaggio deriva dall'adattamento di ciò che è già stato dimostrato in ambienti ad alto rischio.

Come rendere il tuo processo di progettazione dei componenti a prova di futuro

Non è necessario essere Airbus o Delta per modernizzare il proprio approccio. Basta adottare un approccio integrato alla progettazione. I team aerospaziali più lungimiranti stanno trattando progettazione, test, produzione e sostenibilità come un'unica conversazione fin dall'inizio.

Ciò significa:

Il fattore umano: come operatori e manutentori modellano la progettazione

I progetti più intelligenti nel settore aeronautico sono aerodinamici, economici e attenti alle esigenze umane. Sempre più spesso, i produttori danno priorità alle esigenze degli addetti alla manutenzione, dei piloti e degli operatori quando progettano i componenti, perché anche il componente più avanzato può guastarsi se è troppo difficile da utilizzare o riparare in condizioni reali.

Gli ingegneri della divisione TechOps di Delta hanno collaborato a stretto contatto con i partner di progettazione per ridurre il numero di elementi di fissaggio e semplificare i punti di accesso sui sistemi critici. Una modifica apparentemente insignificante, come il riorientamento di un fermo o l'aggiunta di indicatori visivi, può far risparmiare migliaia di ore di lavoro all'anno su un'intera flotta.

Anche i piloti influenzano la progettazione. L'introduzione da parte di Airbus di controller laterali e display head-up è nata dal feedback ricevuto dalla cabina di pilotaggio, volto a ridurre il carico cognitivo e migliorare i tempi di reazione in scenari di forte stress.

E con l'aumentare della modularità e della tecnologia nelle cabine, i dipendenti delle compagnie aeree vengono sempre più consultati in merito all'esperienza utente. Il coinvolgimento di Delta nella progettazione degli interni di JetZero non ha riguardato solo l'estetica. Il contributo dei dipendenti ha contribuito a garantire che il personale di servizio potesse accedere in modo efficiente ai vani portaoggetti, supportare i passeggeri con mobilità ridotta e muoversi in sicurezza sugli aerei.

Le aziende che coinvolgono i propri utenti finali vanno oltre le prestazioni teoriche e progettano per condizioni reali. Questo ciclo di feedback umano, spesso trascurato, rappresenta spesso il vantaggio competitivo vincente.

Progettazione per la propulsione alternativa

Il passaggio all'idrogeno, all'elettricità e ai carburanti sostenibili per l'aviazione (SAF) sta cambiando ciò che i progettisti devono pianificare fin dal primo giorno.

La propulsione a idrogeno, ad esempio, richiede uno stoccaggio criogenico e un contenimento ad alta pressione. Questo modifica ogni aspetto, dal baricentro alla posizione dei rinforzi strutturali. Il programma ZEROe di Airbus, che include un aereo commerciale alimentato a idrogeno, ha stimolato innovazioni nella progettazione dei componenti in fase iniziale, dalla schermatura termica ai materiali che non si fratturano durante intensi cicli di raffreddamento.

Gli aerei elettrici comportano diversi compromessi. Le batterie sono pesanti e soggette a surriscaldamento, il che significa che componenti più leggeri in altre parti, insieme a una progettazione più intelligente del flusso d'aria, sono essenziali. I requisiti di gestione termica e ridondanza spingono inoltre i team di progettazione a riconsiderare il posizionamento tradizionale di motori, condotti e persino apparecchiature di cabina.

In generale, progettare una propulsione più ecologica significa riprogettare ciò che la circonda, e questo inizia a livello di componente.

La morale per i produttori competitivi

Se si considera ancora la progettazione dei componenti come una fase fissa di un processo lineare, si ha una straordinaria opportunità di ripensare l'intero ciclo di vita del prodotto, riducendo i costi, accelerando lo sviluppo e costruendo da zero aeromobili più resilienti e pronti per il futuro.

Boeing sta progettando componenti che non esistevano cinque anni fa. Airbus sta usando le oche volanti come modello per l'efficienza delle rotte. E JetZero sta ripensando il concetto di aereo.ÈQuesti non sono progetti collaterali; sono l'atto principale reso possibile da una cultura interfunzionale, incentrata sulla simulazione, che dà priorità alla sicurezza e alla sostenibilità.

Il futuro del volo è costruito nei dettagli. I vecchi metodi vacillano. I nuovi progetti, perfezionati da strumenti intelligenti e lezioni apprese a fatica, si ritagliano un vantaggio competitivo. Ecco come gli aerei supereranno la prova: snelli, efficienti e pronti all'uso.

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