一直以來，發(fā)明家和工程師們都面臨著航空設計的挑戰(zhàn)。對于航空學面臨的兩個挑戰(zhàn)，其中一個是模仿自然的設計問題：建造一臺模仿楓樹種子空氣動力學的飛行機器。這個問題在過去六十年里一直困擾著工程師。

另外一個挑戰(zhàn)是：在封閉的建筑物內駕駛無人機，這是在不斷發(fā)展的無人機系統(tǒng)（UAS）和飛行（UAV）世界中剩下的最后一個前沿。

現(xiàn)在，已經有一個挑戰(zhàn)被成功解決：一種受生物啟發(fā)設計的自動單旋翼直升機。

完成這一挑戰(zhàn)的飛機是由美國佛羅里達州代托納海灘的安柏瑞德航空大學（Embry-Riddle Aeronautical University of Daytona Beach）的一個團隊設計和制造。安柏瑞德航空大學是航空和航天教育的世界領先者。

這個以學生為主的團隊用DFMA?設計了這架飛機，同時，參加了由國際無人駕駛汽車系統(tǒng)協(xié)會（AUVSI）主辦的第19屆國際航空機器人競賽（IARC），名列第三，贏得了“最具創(chuàng)新精神的飛行器”獎，并吸引所有看到它飛行的人們的眼睛。

Imagination meets manufacturing and assembly in the classroom

在課堂上制造與組裝，想象力碰撞迸射

安柏瑞德航空大學的機械工程教授Sathya Gangadharan說：“DFMA?這門課程是以現(xiàn)實為基礎的，彌合了學術界和工業(yè)界之間的鴻溝。當學生和實習工程師做設計的時候，他們不會考慮制造產品的實際方面或成本影響?！?/span>

對于這門課程，學生必須選擇一個包含15-30個組件的產品，然后使用DFMA?提出修改方案。這些新的設計探索了替代材料和制造工藝，最終允許團隊在減少零件數(shù)量和成本的同時保留或改進特征和功能。

研究生克里斯托弗·霍克利把參加競賽用的自動單旋翼直升機原型帶到了班上，希望能有所改進。在此之前，他的團隊已經考慮了幾種設計，選擇楓葉種子的版本：簡單而優(yōu)雅，總共有一個泡沫單翼，一個熱塑機身，一個泡沫起落架或腳，一種碳纖維翼梁用來提供機翼剛度，一個塑料風扇和兩個運動部件（見圖1）。

由于來自楓樹種子（即翅膀種子）的靈感，以及設計的傳感器要求，他們把飛機命名為SamarEye。但是，翅翼衍生飛機以及一般單翼飛機并沒有得到太多關注或認可，因此現(xiàn)有的設計信息很少（關于動力單翼飛機的論文不到10篇）。因此，團隊在設計和材料方面確實只能依靠自己。

圖1    自動單旋翼直升機原設計

在準備IARC競賽時，團隊還在黑暗中摸索，這涉及到成本、裝配和制造方面的考慮。霍克利說：“我們只考慮如何制造單個零件，但到了組裝的時候，我們沒有頭緒?！苯Y果，制造時間太長（大約40個工時），大量的熱膠是緊固件的首選。

在測試之后，顯然需要一些批判性的思考來改進裝配和制造，并把飛機看作一個集成的、整體的系統(tǒng)，而不是一個單獨部件的集合。DFMA?課程為重新設計設計提供了完美的工具。

   在設計過程中盡早提出正確的問題

DFMA?是來自BDI公司的一整套軟件解決方案，它能幫助工程師在開發(fā)過程的早期提出有關產品設計的關鍵問題。這樣的評估會對產品下游的制造、裝配和成本產生重大影響。

面向裝配的設計（DFA）軟件指導工程師使用問詢來簡化設計，例如部件是否彼此相對移動或者它們是否可以由相同的材料制成，這些問詢的答案導致部件數(shù)量和成本的降低。

面向制造的設計（DFM）軟件補充和支持DFA，為工程師提供了一種結構化的方法來檢查工藝技術和材料選擇，以便在產品開發(fā)生命周期的早期預測制造成本。通過預先提出正確的問題，可以事先考慮設計中所有的成本影響，而不是在設計被鎖定之后突然出現(xiàn)。

   基于DFMA的單旋翼直升機原始設計分析

SamarEye單旋翼直升機設計長71厘米，重量184克，有18個零件，其中8個零件是由外部提供的。在剩下的10個要制造的零件中，有6個是擠壓的，4個是熱成型的，除了機翼以外，其余的尺寸都差不多。

這樣一開始就保持了較低的制造成本，因為普通的注射模塑和熱成型設備只能在模具變化的情況下購買。盡管飛機重量輕，材料相對較弱，但原始設計結構堅固，在典型操作條件下具有足夠的安全系數(shù)。

霍克利使用100000的預計生命周期產量和12500的批量大小對原始設計進行了DFMA?分析，確定模具成本為2.55美元，零件成本為4.25美元，裝配成本為7.08美元，每件產品的總成本為13.88美元。

注：DFM計算成本時輸入的參數(shù)

生命周期產量：指產品從生到死總的生產量

批量大小：指的是生產訂單大小 

盡管原始設計具有相對少的部件并且制造方法已經相對簡單，但分析表明仍有改進的余地。在10個制造零件中，機身頂部、機身底部和機翼這三個零件最昂貴，因此最受關注。至于裝配，超過50%的產品總成本是由從這里產生的，代表了從設計到成本的任何可變性改進的最大空間。

   單旋翼直升機原始設計的改進

在DFMA?分析之后，霍克利評估了設計，看哪里可以改進。在原始設計中，機翼—單個最大的部件—由發(fā)泡聚苯乙烯熱塑性塑料（用作地板絕緣）制成，而機身由PETG熱塑性塑料制成。

在改進的設計中，團隊決定將機翼、機身和主齒輪組合成一個注射成型聚苯乙烯泡沫塑料片，將主梁和風扇外殼成型到位?；艨死f：“這些變化不僅去除了許多部件，而且減少了組裝所需的操作次數(shù)。”隨著材料從更強的PETG轉變?yōu)檩^弱的聚苯乙烯，需要額外的迭代有限元仿真以確保飛機可以承受所有加載場景（經測試能夠滿足需求）。

圖2   自動單旋翼直升機新設計

   應用DFMA顯著降低成本和時間

考慮到單旋翼直升機的商業(yè)化，霍克利對他的團隊項目的最終DFMA?結果感到興奮：零件成本降低了25%，總產品成本降低了51%，裝配工時和成本降低了74%（見表1）。