工业4.0对航空维护的影响：增强现实和增材制造的作用

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报6（2019）516工业4.0背景下的航空维护：增强现实和增材制造的作用Alessandro Cerutia，Pier Marzoccab，Alfredo Liverania，Cees Bilba博洛尼亚大学工业工程系DIN，意大利b澳大利亚皇家墨尔本理工大学工程学院阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年2019年1月31日收到修订版，2019年在线提供2019年保留字：工业4.0增强现实增材制造航空维修A B S T R A C T本文广泛讨论了工业4.0计划驱动因素将如何影响航空维修。具体而言，选择了最适合航空维护的工业4.0实践，并提供了详细的曝光。优势和开放的问题进行了广泛的讨论和案例研究处理现实的情况下，说明支持作者提出的。注意力已经转向增强现实和增材制造技术，它们可以分别支持其目的是证明增强现实和增材制造是航空维护中的可行工具，虽然有必要大力开发适当的监管框架，但在航空航天系统维护过程中广泛引入这些技术之前必须强制执行，但工业部门对此非常感兴趣。©2019计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍德国政府于2011年在汉诺威工业博览会上引入了“工业4.0”一词，以描述制造业的战略方法（Zheng等人，2018年），并以制造业的计算机化为基础。近年来，该术语已扩展到新趋势，表明基于制造机器人与人类以及机器本身之间的真实互动的新革命。正如文献（CozmiucPetriser，2018）所建议的那样，有四个支柱创造了第四次工业革命：互操作性，信息透明性，技术援助和分散决策。互操作性意味着利用物联网（IoT）将人、设备、机器和机器人联网，最终目标是尽可能多地实现制造自动化，即所谓的“全自动工厂”概念。信息透明度术语旨在用于数字双胞胎的概念（Miller，Alvarez，&Hartman，2018）：真实对象的虚拟副本和从真实传感器提取的数据丰富的虚拟。技术q选自第25届ISTE跨学科工程国际会议，2018年7月3日由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者：博洛尼亚大学，Dipartimento DIN，Viale del意大利博洛尼亚复兴2号，邮编40136电子邮件地址：alessandro. unibo.it（A. Ceruti）。辅助（Hold，Erol，Reisinger，Sihn，2017）是工业4.0关注的另一个领域，它引入了两种不同的技术：为操作员提供信息支持，这些信息可以在需要时可视化，以便在短时间内解决问题;用网络物理机器 代 替 人 类 执 行 D3 （ D-cube ） 操 作 （ Dull ， Dirty ，Dangerous）。最后，分散决策概念（Marcon et al.，2017）提出了能够以自动化的方式做出决策的智能机器，在没有人为干预的情况下解决矛盾和复杂的规划问题，其中操作员成为监督者而不是负责解决问题。从更实际的角度来看，工业4.0（Peruzzini，Grandi，Pellicciari，2017）的设想可以通过以下方式来解决：在公司中引入增强现实（AR）和虚拟现实等新技术;利用增材制造（AM）来加快生产时间并实现智能结构;为公司提供能够管理大量数据的软件工具，即所谓的大数据问题（Santos，2017）;开发软件算法，用于以清晰直观的方式聚合数据，从而仅向人类主管提供最重要的信息，并避免让他/她混淆太多数据;为工厂配备高频互联网连接，以实现人类，虚拟和真实硬件机器和机器人之间的真实网络作者认为，工业4.0概念可以从工业领域转化为航空领域，以支持设计、维护、飞行中结构健康https://doi.org/10.1016/j.jcde.2019.02.0012288-4300/©2019计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。A. Ceruti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）516517监控和飞行管理，仅举几例。从设计和维护（FAA，2018）的角度来看，航空航天是一个复杂且要求苛刻的领域：民用航空需要能够在偏远地区短时间内提供备件的物流解决方案，这些地区通常需要当地运营商执行复杂的维护任务 为了支持这些关于科学和工业利益的声 明 ， 值 得 注 意 的是， 欧 洲 研 究 计 划 Clean Sky 2 将 重 点 放 在ADVANCE 欧 盟 H2020 项 目（ Lee ， Shin ， Tsourdos ， &Skaf ，2018）和子项目AIRMES（E2E维护服务的航空公司维护运营实施）下的大型客机维护策略上。仅举另一个例子，French，Marin-Reyes和Benakis（2019）的论文也解决了在航空航天中引入增材制造的问题。文献回顾分析表明，工业4.0计划的概念可以应用于缩短维护时间，并利用AM和AR等已经有大量的文献涉及这些主题，但这里提出的新颖性是提供基于概念的长期维护发展，这些概念可能会在未来十年内引入工厂下面的图1示出了与本文中描述的技术的引入相关的时间轴。如图1所示，AM和AR有一个很长的助跑，以实现目前的能力，他们达到了成熟的水平，可以提供给工厂和飞机维修。然而，与采用这些技术有关的立法和认证程序目前限制了这些技术的广泛应用，但市场可以推动当局制定适当的规则。这些技术对维护计划和活动的影响，以及对航空业和大型商用飞机、直升机和通用航空飞机机队的影响可能是巨大的。工业4.0计划倡导工业工程制造流程的重大创新发展。它建议将增材制造和增强现实等新的智能解决方案大规模引入现代工厂。本文的目的是分析在航空维修中引入这些新技术的好处，设想从自动化工厂概念到航空维修的技术转移。这项工作的动机是提供如何在此框架中使用AR和AM的示例，并讨论其与传统维护流程兼容时的潜在优势（Fioriti，Vercella，&Viola，2018）。注意力主要集中在AM和AR，而不是在工业4.0战略的其他方面，因为这两项技术似乎是最适合支持地面维护操作，而上面提到的其他工业4.0技术更适合于飞行中的操作。大数据处理策略可以用于实现传感器网络并获得飞行中的实时数据;这可以显着提高航空电子系统的性能，并且可以在传感器性能下降时实现故障恢复策略和数据融合。此外，现在为工业4.0而开发的分析算法可以支持来自数百万个监测飞机结构健康的远程传感器的数据检索和数据融合。本文的结构如下：接下来的第2节将更详细地描述AM、AR和工业4.0计划下的基本概念第3涉及航空维修及其与工业4.0的集成，而第4节介绍了AR和AM应用的案例研究。2. 增强现实与增材制造2.1. 增材制造增材制造可以被定义为传统排屑机器的对应物，如车床或铣床。近年来已经引入了几种AM技术（Gibson，Rosen，Stucker，2010）。对这些技术进行分类的一种方法是基于所使用的原材料的状态，其可以是液体（例如，熔融沉积成型（FDM）或立体光刻（SLA）、离散颗粒（通常为粉末，例如选择性激光烧结（SLS）或电子束熔化（EBM））或固体片材（例如层压物体成型（LOM））。FDM是一种廉价的技术，其基于沿着预定路径沉积塑料细线：ABS或PLA线在喷嘴中熔化，该喷嘴相对于构建台在3D平面中呈现相对运动。一旦从喷嘴挤出，塑料固化，可以获得实体模型。SLA技术基于光敏液体树脂，一旦被激光束击中，就会固化：在这种情况下，也可以通过沿路径聚合液体来逐层获得固体形状。这两种技术可用于获得非结构部件。然而，当需要高强度材料时，基于金属粉末（如SLS或EBM）熔化的方法是必要的：从铝，钢或钛合金粉末开始（Dutta Froes，2017），获得具有类似于机械加工或铸造金属的结构特性的固体零件。最后，LOM是基于粘合剂涂覆的纸张，塑料或层压板的薄片，以获得堆叠单层的3D形状。但AM的有趣之处在于，由于成形的最大自由度，可以获得复杂的形状。基于薄桁架结构的复杂结构，Fig. 1. 技术时间轴。518A. Ceruti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）516体积的数千倍（称为晶格）（Savio，Meneghello，&Concheri，2017）可以实现高结构效率，其中所有材料都具有相似的应力值。这种结构以一种非常有效的方式模仿了自然界：骨小梁结构在动物和人类的骨骼以及鸟类的翅膀中很常见。类似的高效结构（Rosen，2007）可以在自然界中找到，树木的树枝和树叶是最常引用的AM提出了广泛的几何结构，以有效的方式塑造身体。减轻重量可以节省材料，避免运输中的能源浪费，从而减少污染排放（Raymer，1992）。从研究的角度来看，三个是最热门的主题：拓扑优化（Bendsoe Sigmund，2004），均匀化（Vigliotti Pasini，2012）和晶格结构。拓扑优化意味着定义组件将增长的控制体积，定义约束将应用的点，设置力将作用于结构的点，并最终定义不允许材料的空隙区域图2显示了一个优化示例，其中选择了4个约束点和1个力点，并且通过迭代迭代，部件沿着确保部件的最小柔度（内力与其位移的乘积）的方向增长。以这种方式，可以获得高效率的部件。晶格结构是致密材料被沿三个方向重复的大量基本单元。细胞呈现高空隙密度比：四面体、立方体、六边形结构被广泛利用。如何在短时间内实现网格结构的有限元分析，仍是该领域的一个由于构成单元的铠装的梁的小尺寸，需要与部件啮合的固体元件的最小由于与此直径相比，主体的尺寸很大，因此在进行分析的地方发现了大量的元素这导致需要高性能机器和长分析时间的计算均匀化是一种通过计算等效各向同性材料来克服这个问题的技术，该等效各向同性材料可以应用于具有与晶格相同几何形状的完全致密部分，获得类似的结果。通过这一过程，可以显著减少计算时间并分析复杂结构。2.2. 增强现实增强现实现在是一种成熟的技术，它首先由Azuma在他的开创性论文（Azuma，1997年）。AR可以被定义为一种计算机图形技术，其中虚拟符号被叠加到外部世界的真实图像上。它提出了一个虚拟现实的演变，其中用户持有头戴式显示器或沉浸在洞穴自动虚拟环境（CAVE）结构。在VR中，现实世界和用户之间没有联系，而在AR中（Gattullo，Uva，Fiorentino，Gabbard，2015），由于只有CAD模型，文字或符号被添加到场景中，因此存在密切的联系。为此，透视眼镜（在透镜上配备有相机和小投影仪）或移动设备如平板电脑或智能手机（其中相机用于框定外部环境并且屏幕用作输出）可以用于AR（DiDonato，Fiorentino，Uva，Gattullo，Monno，2015）。虚拟对象被链接到真实世界，使得通过移动相机的视点，符号相对于外部参考系统的位置不会改变。这是通过使用标记（通常是基于棋盘的符号，其形状和尺寸是先验已知的）或不使用标记来计算相机相对于外部环境的位置而获得的。在后一种情况下，外部环境的一组图片被存储在数据库中，使得通过将其与由相机取景的图片进行比较，可以识别相机在空间中的位置。无标记软件包现在可用于几个AR包（如ALVAR TM（Kantonen，Woodward，&Katz，2010; Alvar，2018）和VuforiaTM（Vuforia，2018）），而ARToolkit（ARToolkit，2018; Billinghurst，Kato，&Poupyrev，2001）可以被引用为基于标记使用的工具的示例。一旦找到相机的位置，就可以在正确的位置将CAD模型，符号或文字叠加到视频流中（Ceruti，Liverani，Bombardi，2017）。值得注意的是，AR是一种实时技术，因此当移动视点时，虚拟符号在视频输出中相应地改变位置。大量文献涉及AR 和 维 护 ： 综 述 论 文 （ Palmarini ， Erkoyuncua ， Roy ，&Torabmostaedi，2018）显示，17%的选定出版物涉及航空学，总共 33% 的 论 文 描 述 了 装 配 / 拆 卸 任 务 。 该 论 文 （ Robertson ，Bischof，Geyman，&Ilse，2017）提供了一项试点研究的结果，其中采访了15名航空航海机械师关于在维护任务中使用可穿戴技术：两项维护任务的完成时间缩短了7.7%和11.6%。此外，值得注意的是，与会者赞赏减少了花费在飞机和手动之间的旅行时间，操作通常意味着爬梯子。从更工业化的角度来看，可以在文献中找到类似的结果：继波音和爱荷华州立大学（Thearea，2018）之后，图二. 拓扑优化示例。A. Ceruti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）516519当负责制造机翼结构的技术人员配备有平板时，可以实现质量和30%的时间。空客（2018）进行的一项类似研究显示，A380机身支架的检查时间从三周到三天。3. 航空航天4.03.1. 航空维修在航空术语中，术语MRO（维护，修理和大修）描述了以下操作：检查，更换损坏或破碎的部件（以及供应物流（Regattieri，Gamberi，Gamberini，Manzini，2005）），更换密封剂，固定涂层，重新填充润滑剂或气体（例如，润滑剂或气体）。在阻尼缸、液压缸、调节系统中）。MRO的目的是确保商用飞机每次飞行都符合适航指令。 MRO对安全至关重要，因此受到美国FAA（联邦航空管理局），加拿大TC（加拿大运输部），欧洲国家EASA（欧洲航空安全局）等航空国家当局的严格监管。民航组织（ICAO）也对维修过程提供了一般性的指导FAA和EASA还负责对从事维护工作的操作员进行认证：这是因为维护是一项复杂且有风险的任务，如果没有具体有效的培训，可能会导致飞行事故。在这样一个框架中，值得一提的是SHELL模型（Marx Graeber，1993）：它将强烈影响航空系统的4个方面联系起来，即软件（法规、指令、信息、组织）、硬件（飞机、材料建筑）、环境（天气、温度、可能对操作员产生影响的物理/社会/政治变量通常，由于硬件和现场软件（例如，工具中的人体工程学较差）或软件和liveware（例如，一般的手册和文档不从历史的角度来看（Khee，2009年），维修与工业和航空业的每一次革命都有严格的联系国际民航组织于1948年发布了第一个维修人员许可标准：当时，飞机基本上是由内燃机、机械系统和机身组成的纯机械物体。电子，材料和发电厂的革命性进步导致了维修工程师的更深层次的专业化。如今，高度专业化是必要的，因为航空电子设备和发电厂是如此复杂，通用工程师近年来，维护的重要性大大增加，因此，在EASA/FAA第66部分飞机维护人员许可中详细说明了维护是必需的，因为航空当局要求每个商业运营商（仅举几例，意大利航空公司、汉莎航空公司、澳洲航空公司、联合航空公司）准备所谓的持续适航性维护计划（CAMP），该计划必须包括在其OpSpecs（操作规范）中。CAMP列出了航空运营商必须进行的所有常规和详细检查适航审查证书（ARC）是证明飞机定期维护的文件，要求飞机定期维护以允许飞行器运行（空中航行证书）。因此，商用飞机按照制造商制定的程序定期检查，并根据结构设计和机上安装系统的特点进行设计。检查可根据飞行小时（一般疲劳）、起飞/着陆周期（惯性载荷峰值出现时）或时间（老化问题）。在处理商用/民用航空器时，运营商广泛采用四个级别的维护检查（从A到D）。检查A：这是一个轻微的检查，在200-300个周期后进行。它涉及检查和检查客舱，内部和外部结构，发动机挂架，控制表面，发动机。检查B：在飞行时间达到2000小时（商用飞机通常为6-8个月）时进行的轻型检查完成整个过程大约需要1检查C：这是一个重维护过程，在3500飞行小时（18-24个月）后进行进行这种检查需要8到15天的时间，这需要飞机在航空公司的机库中进行保护（或将其带到专业的维修公司）。除了A和B检查外，还要拆卸和仔细检查几个部件和组（特别是发动机和塔架）。检查D：这是飞机上最繁重的维护工作，有时也被称为大修。当飞机达到18，000- 26，000飞行小时时开始检查飞机被完全拆卸：外部和内部结构的每个细节都要检查，通常需要60天才能完成。在每次检查D之后，规定进行3小时的飞行试验从实际的角度来看，MRO要求操作员遵循检查表，其中详细报告了装配/拆卸程序，并附有说明性图片和要执行的操作列表。应正确检测待更换备件的部件，并由维护物流提供（Regattieri等人，2005）链“及时”，以避免时间的损失和潜在的混乱多余的不必要的部分在货架上（“精益仓储”概念）。航空结构相当复杂，并且当以基于纸质手册的传统方式进行维护时会出现几个问题：手册中的图片不同于实际配置，从二维图片和方案猜测拆卸程序很复杂，在维护任务期间需要向飞机制造商询问澄清，由于在进行维护时的不良人机工程学而导致的过度工作量（使用工具操作的狭窄地方），在类似部件所在的复杂区域中检测部件的困难，长时间且令人厌烦的组装/拆卸序列，仅举几例。作者认为，SHELL模型（Marx Graeber，1993）引入的软件和Liveware之间的联系这篇论文（Koornneef，Verdief，Curran，2017）支持这一说法：在飞机维护中使用纸质文档被定义为“缓慢，繁重且容易出错”。如前所述，维护培训计划和实践与电子、材料和电力系统的发展遵循这一趋势，正在考虑新的维护计划4.0概念，不仅在航空航天，但在几个工程领域。3.2. 工业4.0在航空维修中的工业4.0计划引入了几项关键的使能技术，这些技术将对飞机维护产生破坏网络化、大数据的可用性、异地化和个性化生产的能力、相互连接的微型传感器网络、远程操作中信息的智能和直观可视化、自动化是不仅适用于工厂而且适用于航空的技术的示例。仅举一个例子，大数据处理高效算法（分析）对于支持复合结构的实时局部监测策略是必要的（Testoni，De Marchi，Marzani，2016），该策略制造了520A. Ceruti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）516空客和波音等航空公司正在评估如何改进结构健康监测。这种方法的目的是从数百万个传感器（例如，复合结构中包含的布拉格纤维）收集数据，以监测结构并以最有效的方式检测裂纹扩展，从而实现真正的&但像AM和AR这样的技术-3.2.1. 增强现实事实上，AR可用于获得扩充的维护手册和图解零件目录，其中以直观的方式向操作员建议在真实飞机上维护零件的位置。这在基于AR的手册的情况下尤其如此，其中通过CAD模型的混合向操作员呈现组装/拆卸任务，符号建议要执行的手动操作（例如，虚拟螺丝刀），以及虚拟面板，在其中检查操作并与手势跟踪技术交互。AM也可以用于远程维护，其中虚拟动画可以实时准备，这可以克服目前限制AR在工业中使用的问题之一：准备动画所需的时间当处理由数百万个部件制成的现代客机时，直接注意到为每个可能的维护操作实施动画虚拟序列在飞机制造商的集中办公室中准备虚拟装配/拆卸序列，只有当远程操作员需要时才能在工业环境中实现AR，这是一 种 更 经 济 实 惠 的 方 式 ， 正 如 Ceruti ， Liverani 和 Marzocca（2015）在航空维修中已经介绍训练是另一项增强现实可以提高真实性和有效性的任务。混合虚拟和真实部件的AR能力允许模拟复杂场景，而不需要不可用（或笨重/肮脏）的部件。总体而言，AR对维护的影响（见图 3）可以是大量的，特别是在处理传统纸质手册无法清楚解释的复杂操作时。此外，文件应在几个几十年（商用飞机的平均寿命从20至30年）：AR可以帮助保持基于纸质维护方法的程序更新，其中应手动并定期将公告添加到首次发布的手册中。然而，在AR上实现商用飞机的所有维护任务可能是一项艰苦的任务：目前，建议在AR中实现最关键和要求最高的维护操作是现实的。在CAD系统中的整合，设想在短时间内准备增强场景的环境，可以减少在不久的将来，在AR中实现整个维护手册所需3.2.2. 增材制造当注意力集中在AM上时，各种可能的一旦数字模型可用，AM可用于生产零件然而，如前所述，当进行拓扑优化并且使用基于网格的结构时，获得最佳结果在这种情况下，可以产生复杂的几何形状，这对于切屑去除技术是不可行的另一方面，这是一个有远见的观点，因为在撰写本文时，AM技术生产的结构部件没有规定，即使具有与传统方法相同的几何形状和材料如果将来的法规允许对增材制造金属零件进行认证，那么从物流角度来看，许多问题将得到解决：例如，备件将被增材制造机器和粉末库取代。如果“数字孪生”的概念在这种情况下，对于原始的飞机配置，可以预期使用排屑机的大规模生产：可以用更有效的优化部件替换破裂/损坏的部件在后一种情况下，实际上，生产透明部件的成本只要飞机的总体尺寸允许飞机的正确功能，就可以预期结构重量的减少，部件上的因此，数字孪生将是必要的，因为每架飞机在使用寿命期间由于标准零件和AM更换零件的混合而变得彼此不同另一方面，如果考虑一种不那么有远见和更保守的方法，可以说AM可能是减少非结构部件备件仓库最广泛的开发图三. AR和航空A. Ceruti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）516521如果飞机制造商愿意共享零件的数字模型，并且FAA/EASA法规将适用于由粉末生产的金属零件，那么AM的优势将成为可能。在此框架下，备件供应链可以通过简单地在维修机库中安装AM机器来缩短。将工业4.0概念扩展到航空业，飞机制造商、航空公司和维修运营商之间需要建立紧密的信息网络来共享数据。为了支持之前的说法，值得注意的是，如今商用喷气式飞机的几个部件都是由增材制造技术制成的：波音公司表示，B787商用飞机中至少嵌入了30个增材制造部件（Malfitano，2017）：AM零件用于空气管道（例如B787，Bell 429直升机），内部/支架（例如A350），推进器（例如General Electric的B737 MAX燃料喷射喷嘴）和小型非结构备件。空客公司在A350XWB上使用了1000多个ULTEM 9085零件。ULTEM是一种FDM热塑性材料，由Stratasys公司（Stratasys，2018）设计，用于运输行业：它具有FST（火焰、烟雾和毒性）等级，其原材料和纤维结构特性经过认证，其供应链保持了航空航天工业所要求的材料可追溯性。关于AM在结构构件中的应用，目前还没有设计数据库。另一方面，US FAR 25或EASA CS-25规则要求商用飞机认证必须对材料进行试验，制造必须一致（CFR25.603 25.605），结构必须坚固，并进行分析和试验以满足此要求（CFR 25.305，25.307 25.601）。当用于结构应用时，AM部件需要与一致性相关的广泛研究，因为（仅举一个例子）相同的AM工艺可能导致部件具有关于缺陷数量/重要性的高度分散。如果受控增材工艺、经过认证的机器和操作员以及FAA/EASA专用法规可用，则AM结构部件将用于维护目的。总之，在维护过程中引入AM的长期路线图可以基于（1）使用AM减少非结构部件的备件仓库;（2）基于在保证飞机性能的前提下，利用已有的经验，可以为结构件制定标准、设计方法和工艺流程;（3）利用敏捷制造生产与待更换零件相同的零件（结构件和非结构件）。在这种情况下，飞机制造商可以指定备件AM的特性和标准流程;维修组织将不负责设计验证，但将遵循批准的流程，从批准的CAD模型生产第三方部件。此外，零件验证将由飞机制造商完成一次，而不是由每个维护组织负责。(4)在最先进的阶段，可以利用AM能力来开发在维护操作期间使用的优化备件。在这种情况下，飞机制造商将提供最重量密集型备件的优化CAD模型，以进行现场打印。在这种情况下优化部件的新技术特性和形状将需要额外的验证和认证，这增加了飞机制造商的成本。4. 为例4.1. 航空学AM本文通过一个案例研究来说明增材制造概念在航空领域的潜力：它描述了如何用一种更有效的新结构来代替一个扩展机构的支架，这种结构具有相同的功能，但质量更低（或质量相同，性能更高）。本案例研究中的支架可以代表图 1 中 的组件。 4、在 哪里，见图4。Slat扩展机制支架（图片来源：EN Wikipedia，公共领域图片）。为了说明的目的，显示了空中客车A300商用飞机机翼前缘的细节。图5提供了代表飞行器部件的支架的平面图形状的尺寸：它是具有三个凸台（直径为64 mm）和大约500 mm的长度的弯曲板（在平面图中，外倾角处的半径为470 mm，宽度为60 °，厚度为60 mm）。每个凸台保持直径为52 mm的孔。使用传统的制造工艺，一个类似于CAD建模的组件（图1）。（6）可以得到。另一方面，更有效的设计可以基于晶格结构。作为一个旨在 支持 这一 说法 的例 子 ， FreeCAD TM的 LSWM 工 具（ Ceruti ，Ferrari，&Liverani，2017）已用于设计一组具有非常规几何形状的零件（见图6）：所有这些结构都具有相同的平面图布置和固体部分的尺寸，但是它们的厚度为20 mm，并且其基于只能通过AM技术生产的不同几何布置。结构（a）、（b）、（c）、（d）基于共形结构（晶格立方元素沿着括号的弯曲轴等距间隔该池由半径为5mm的圆柱体和半径为5mm的球体制成。6 mm半径放置在圆柱体与圆柱体相交处（结构（a）、（c）、（e））。基于晶格的解决方案（b）、（d）、（f）基于半径为3mm的圆柱体和半径为4mm的球体。结构（c）和（d）由10 mm高的单元结构构成最后，结构（g）基于六边形结构，并且结构(h)是由在交点处没有球体的立方元素组成的。关于几何形状的更详细数据已包括在表1中。作为一个假设，传统的密集支架和网格结构都是由铝制成的，密度q= 2700 kg/m3，弹性模量E = 71，000 N/mm3，泊松系数等于0.33;铝粉可用于AM机器，AM部件呈现出与从铣削固体金属块或铸造部件获得的部件相似的特性。522A. Ceruti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）516图五、SLAT延长机构支架总体尺寸。见图6。 不同形状的支架。表1AM配置的FEM分析结果。增材制造部件（参见图 6（a-h））配置（见图6）（一）（b）第（1）款（c）第（1）款（d）其他事项（五）（f）第（1）款（g）（h）体积[mm3]234,72499,309260,135123,743255,735104,528138,912198,010质量[kg]0.6340.2680.7020.3340.6900.2820.3750.535圆柱体半径[mm]525252/5径向（或垂直）方向上的单元格数[3333（三）（三）（三）（三）沿括号轴（或水平轴）的单元格总数[16161818（二十）（十八）（二十）（十八）沿支架厚度的单元格数量[11221111Ansys ®中的元件尺寸[mm]22332222Ansys ANSYS®中的节点数 [199,134204,606226,318219,156197,503209,122134,293207,431Ansys ®中的元素数量[108,195104,958127,107111,974108,342108,23368,557113,879最大应力[N/mm2]432.342.87320.36425.2831.09841.63200.96194.23最大位移[mm]0.4334.610.5482.550.4878.19615.160.871如图7左侧所示，假设支架约束在三个凸台中的两个凸台中，而100 N的横向载荷作用在第三个凸台孔的内表面上，平行于其轴线。对图1所示的所有结构进行了几次有限元分析。 6使用Ansys ANSYS ®工具，记录最大值在每种情况下的应力和位移。为便于说明，图7（右）显示了（d）病例研究中托槽（中心）最大载荷区域的应力（右）放大图（见表2）。在处理通用结构时，有几个要求可以驱动设计：必须控制应力，以确保足够的A. Ceruti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）516523见图7。FEM分析示例：载荷和约束（左）以及案例研究的应力（右）。表2传统密集部件配置的有限元分析结果。传统制造的零件（图）（第6（i）段）厚度[mm]22.53451020质量[Kg]0.1430.1790.2150.2860.3580.7151.431最大位移[mm]15077.044.618.89.691.200.16最大应力[N/mm2]78348233518013634.79.02寿命;过度变形可能导致不希望的接触或堵塞;必须避免接近现有负载的固有频率以引起共振，尤其是在直升机设计中。在本案例研究中，考虑了与结构位移有关的设计 表1显示了图1所示结构（a-h）的FEM分析结果。 六、在下文中，通过改变部件的厚度对传统结构（i）进行了分析，并得到这样的结果集（参见表2）。在这一点上，支架的厚度和质量，确保类似的位移AM组件已通过插值计算。此外，假设传统部件相对于每个AM配置（a-h）的质量相等，计算了最大位移。最后，计算了两个评价指标来评估结构的结构效率：第一个（MIM）是通过计算网格结构和传统的密集部分质量之间的比率来获得，以确保相等的位移，而第二个（MID）是通过将AM部分的最大位移除以具有相同质量的传统配置来获得的。表3示出了MIM和MID系数的值如表3所示，基于网格的结构可以实现刚度方面的显著改善为了精确地确定应力和位移，需要进行实验然而，从定性的角度来看，（a）结构似乎相对于具有相同质量的传统部件在刚度和具有相同质量的位移方面提供了更好的增益。这个例子支持了这样一个事实，即增材制造可以是一种减少飞机结构重量的战略方法：如果在设计阶段使用刚度标准可以将组件的重量减半50%。虽然在应力处理方面，还需要进一步的研究来评估结构的疲劳性能，但这些初步结果有力地表明了网格和非常规结构的优势。对航空航天器零件进行详细分析，利用这种优化的晶格结构，精确评估相应的重量减轻，是一项复杂的任务：它们涉及许多问题，包括增材生产前后的材料性能、疲劳行为、缺陷检测和监管。这种分析超出了本文的范围。提供了费用估计数。使用直接金属激光烧结（DMLS）机和AlSi7Mg0.6（A357）粉末，（a）晶格部件的制造成本（公司内部成本，无利润）经评估为（2019年1月）1890€。支架制作时间为18 h。提供相同功能的传统致密部件可以在4小时内用铝AA2024用排屑技术生产，内部成本（不包括公司利润）约为150欧元。根据有限元分析，AM部件的剩余质量（Dm）可估算为0.547 Kg（致密部件为1.208 Kg，AM部件为0.634 Kg）。假设商用飞机的平均寿命（H）为120万飞行小时，巡航气动飞行效率（E）为15，推力比油耗（TSFC）为10 g/kN/s，CO2排放（COE）为2.52 Kg/升，喷气燃料的密度（q）为0.85Kg/L，重力（g）为9.81 m/s2，发动机推力（TD T）与AM部分的关系为：2019- 09 -21 00：00：00最高时速<$ E<$15<$4： 358N在飞机的整个使用寿命期间，获得这一推力所需的燃料质量（mf）可以大致近似为（使用一致的TSFC = 0.036 Kg/N/h）：mf¼TSFC H 电话：0358 - 120; 000 036- 1546公斤表3AM结构的绩效指数（优点指数和AM /传统部件比较配置（见图6）（一）（b）第（1）款（c）第（1）款（d）其他事项（五）（f）第（1）款（g）（h）等位移传统零件厚度[mm]16.886.6415.508.3516.235.294.2712.02等位移传统部件的质量[kg]1.2080.4751.1090.5981.1610.3780.3060.860相同质量的传统零件最大位移[mm]3.1625.41.5512.71.8320.359.285.50MIM优点指数[0.5250.5640.6330.5590.5940.7451.2270.622MID优点指数[0.1370.1820.3540.2000.2660.4031.6340.156524A. Ceruti et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）516使用增材制造部件在整个飞机使用寿命期间的二氧化碳排放量节省（DC）为：润滑不足;（f）整流罩、观察板和整流罩未固定;（g）起落架接地锁销未在公司简介mf COEq¼ 1546 2： 520： 85 <$4583公斤<$4： 583吨出发参考SHELL方法，所有这些错误都可以用硬件-活件和软件-活件连接不良来解释。AR可以用来处理这两个问题，考虑到在有效载荷相同的情况下，结构重量的减少等于最大起飞重量（在推力计算中应考虑）的更大减少（高达2-3倍），可以获得更令人印象深刻的数字预计增材制造技术的成本将在未来几年内显著降低，进一步增加所提出的节省。4.2. 航空领域的AR如前所述，AR可用于航空领域，以多种方式支持维护基于AR的图解零件目录、基于AR的维护手册、基于AR的远程维护软件工具、AR支持的组装/拆卸操作是可以受益于增强现实的所有操作的不包括列表。 AR可以用于弥合传统的纸张手册（Koornneef等人，2017年），其中简化的二维草图表示复杂的组件，以及复杂的3D形状（有时被整流罩或其他组件隐藏）必须用工具和适当的处理进行检测和组装的现实。值得注意的是，飞机、直升机、船舶、自动机器可以由数百万个部件组成，其中数千个维护序列涉及组装/拆卸的几个部件：AR可以在这些以正确方式操作复杂的先进工程领域中根据民航局（CAA，1992年），已发现维修故障的主要原因是：（a）部件安装不正确;（b）安装错误的部件;（c）电线不一致;（d）松动的物体（工具等）。留在航空器内，（e）lems。增强的CAD模型可用于支持维护，减少零件位置和类型不匹配的错误。另一方面，操作员可以滚动要执行的操作序列的虚拟菜单可以帮助减少阶段和操作的跳过。为了评估在飞机维修中引入AR的效果，在博洛尼亚大学的设施中实施了一项案例研究，在该设施中，利用AR功能进行了一项disas-software程序。在该应用中，AR用于向外部视图摄像机传输不同类型的信息：CAD模型、符号、文字、可以由操作员按下的按钮。要维护的组件的真实3D CAD模型可以被投影在构成外部场景的视频流上。本测试中使用的硬件由Hololens眼镜和可选的手持控制器。光标可以在虚拟屏幕上移动，并且当控制器（称为Hololens点击器）被按下（或者Hololens相机检测到手指的“捏”移动）时，发生动作：以这种方式，可以实现虚拟菜单，该虚拟菜单可以通过用户指向头部并用手指按压控制器来操作。博洛尼亚大学拥有的Cessna 337通用航空飞机的维护程序已经实施：在AR中实施了“5 -41拆卸主起落架舱门和致动器”（Cessna，1973）的顺序下面的图8（右）显示了原始塞斯纳图解零件目录（塞斯纳，1970年）中图的左边部分。 8呈现了飞机的图片