In che modo LIFT, start-up settore eVTOL, ha sviluppato 'Flight-Ready' in meno di 13 mesi con l'AM

Fin dall'inizio, un aereo fisicamente veloce non è mai stato la priorità di LIFT. La progettazione e lo sviluppo di un velivolo eVTOL sicuro per la mobilità urbana in un breve lasso di tempo. Ma la sfida che questa azienda dinamica doveva affrontare era notevole. Come possono combinare con successo sicurezza, affidabilità e velocità per raggiungere i loro obiettivi?

Molte tecnologie diverse sono maturate e si sono allineate perché proprio questo fosse il momento giusto per questo tipo di attività. "La stampa 3D è una di queste"

La fiducia nelle nuove tecnologie non è stata un semplice ripensamento. Ha avuto il suo posto nel progetto fin dall'inizio.

"La prima cosa a cui ho iniziato a pensare è stata come utilizzare le nuove tecnologie abilitanti, le nuove tecnologie di produzione, per far evolvere i progetti molto rapidamente", ha dichiarato Balazs Kerulo, ingegnere capo di LIFT. Per questo abbiamo ben presto coinvolto il team Materialise.

Contemporaneamente, ho iniziato a cercare software in grado di eseguire progettazione generativa, per trovare molte opzioni di progettazione entro determinati limiti che avremmo poi perfezionato ulteriormente. La progettazione generativa si abbina molto bene alla stampa 3D, perché, come la 3DP, non si preoccupa dei vecchi vincoli dei processi produttivi tradizionali.

La potente combinazione di 3DP e progettazione generativa ha permesso a Balazs e al team di stampare, testare e mettere a punto le parti a un ritmo sostenuto, consentendo una rapida evoluzione tra i prototipi del velivolo.

All'inizio del processo, il team ha identificato la categoria degli "aerei ultraleggeri" negli Stati Uniti come strategia ideale per il mercato. Gli eVTOL classificati come ultraleggeri non richiedono alcuna certificazione FAA/EASA né licenza di pilotaggio per volare. Una soluzione perfetta per l'ambizione di LIFT di democratizzare il volo.

La scelta di questa strada, tuttavia, presenta altre sfide significative. In particolare, ridurre al minimo il peso per soddisfare la classificazione senza compromettere in alcun modo la sicurezza.

Balazs: Abbiamo ottenuto un gruppo propulsore distribuito. Ciò significa che abbiamo 18 motori e 18 batterie, il che è ottimo per la sicurezza, ma significa anche che tutto, qualsiasi componente che abbia a che fare con il gruppo propulsore, deve essere moltiplicato per 18.

A ciò si è aggiunta l'aggiunta di ENDY. Questa parte è unica nel suo genere, in quanto il suo unico scopo è quello di rinforzare le giunzioni più critiche del rotore aereo di HEXA nel peggiore dei casi, contribuendo all'integrità strutturale durante l'apertura del paracadute nel caso in cui il pilota debba effettuare un atterraggio di emergenza. Quando vengono attivati, i contenitori esplosivi del paracadute possono esporre la cellula a un carico momentaneo fino a 11,5 g, paragonabile a quello di un lancio spaziale. In quell'istante, la corona e le sue batterie di propulsione peseranno quasi due tonnellate. Non sorprende che ci vogliano sei ENDY per tenerlo insieme, impedendo che i puntelli in testa vengano abbattuti e si avvicinino troppo al pilota mentre stanno ancora girando.

"È facile riconoscere l'importanza di questo compito", ci dice Balazs. "Ironicamente, diventa così importante solo quando tutto il resto fallisce, e anche in quel caso, solo per un decimo di secondo. Pertanto, in una HEXA che si comporta bene, gli ENDY sono un peso morto. Avevamo bisogno di una soluzione in grado di fornire il miglior rapporto forza-peso"

Il team di sviluppo ha deciso fin dall'inizio che le parti END-Y dovevano essere prodotte in modo additivo, come un centinaio di altri componenti dell'aereo, e questa volta ha scelto di stampare il titanio a causa dei requisiti di resistenza al carico della parte.

I risultati degli sforzi precedenti, tra cui la progettazione di un modello che potesse essere prodotto attraverso la lavorazione, avevano lasciato il team insoddisfatto. Volevano ridurre ulteriormente la massa di ogni pezzo senza comprometterne la resistenza, ma hanno anche scoperto che il componente si staccava ripetutamente dalla piattaforma durante la stampa, causando errori e sprechi. Il fatto di dover ricominciare ogni volta da capo ha causato notevoli ritardi e ha fatto lievitare il costo medio di ogni pezzo. Qualunque soluzione si trovasse, avrebbe dovuto ridurre notevolmente il tasso di scarti.

La risposta di LIFT a questo dilemma è stata quella di rivolgersi all'esperienza di Materialise nella progettazione per AM. Insieme, hanno pianificato di sfruttare al massimo le libertà della progettazione generativa e della stampa 3D, impostando il fattore di sicurezza per parti specifiche a livelli molto più alti del necessario.

Sulla base dei dati CAD forniti, il team di Materialise ha prima effettuato una simulazione statica utilizzando il software SOLIDWORKS. Ciò ha fornito i valori comparativi necessari per riprogettare l'ENDY con Siemens NX.

In primo luogo, hanno utilizzato il modulo di ottimizzazione topologica di NX per definire lo spazio di progettazione e le condizioni al contorno, come la posizione dei punti di fissaggio, i punti di applicazione del carico e la direzione e l'intensità delle forze che il componente avrebbe dovuto affrontare nella pratica. Utilizzando queste informazioni, il software ha creato un modello di componente con flussi di forza visualizzati, da cui gli esperti di stampa 3D hanno gradualmente sviluppato il nuovo componente utilizzando la modellazione a freeform all'interno dello strumento NX Realise Shape. Dopo alcune iterazioni, è stato trovato il design perfetto.

Il computer ha trovato subito un'ottima soluzione che ci è piaciuta e ha funzionato. Quella struttura, poi, avrebbe potuto veramente essere realizzata solo sfruttando la stampa 3D.

Il passo successivo è stato quello di simulare il processo di stampa con il modulo di simulazione Materialise Magics. Per progetti come questo, la simulazione è fondamentale perché il componente e la struttura del materiale vengono creati contemporaneamente. Questo aggiunge un numero enorme di variabili che possono influenzare la microstruttura e quindi le proprietà e la qualità di un pezzo prodotto in modo additivo. Dopo aver visto i risultati, gli ingegneri hanno ottimizzato l'orientamento del componente all'interno dello spazio di installazione e hanno apportato alcuni miglioramenti finali al pezzo e ai suoi supporti.

Mentre il progetto e il processo di stampa erano stati testati, il team di Materialise aveva ancora bisogno di sapere che i pezzi ENDY riprogettati avessero la resistenza necessaria per il lavoro. Per verificarlo, il team di Materialise ha effettuato una simulazione statica che ha dimostrato la resistenza a tutti i carichi, mentre le prime stampe hanno dimostrato che tutte le tolleranze di lunghezza rientravano nel DCTG 8 (Dimensional Casting Tolerance Grade). Inoltre, la deformazione del componente durante la stampa era inferiore a quella del progetto originale, così come le sollecitazioni residue durante la stampa.

"Lavorando con il team di Materialise, abbiamo confermato la fattibilità e perfezionato il progetto sulla base delle loro raccomandazioni, rendendo il pezzo più facile da stampare e più economico in termini di utilizzo del materiale", spiega Balazs.

Ed è così che da allora stiamo collaborando con il team. Inviamo i nostri componenti e il feedback che riceviamo è molto costruttivo e ci ha veramente aiutato a perfezionare i progetti. Insieme, siamo riusciti a progettare e produrre questo componente con un fattore di sicurezza pari a 10. Incredibilmente alto"

Nel complesso, i due obiettivi iniziali di LIFT Aircraft - ridurre la massa e gli errori di stampa - sono stati raggiunti, con risultati che hanno quasi superato le aspettative. L'ENDY finale pesa circa il 40% in meno rispetto all'originale, con un peso di 152 grammi invece di 250 grammi. Con sei parti ENDY in ogni velivolo, ciò rappresenta una riduzione di quasi 600 grammi solo per questa parte. D'altra parte, riducendo in modo significativo le sollecitazioni sulle strutture di supporto, il team ha fatto in modo che il pezzo ENDY non si stacchi più dalle strutture di supporto e dalla piastra di costruzione durante la stampa, riducendo di molto gli scarti dovuti alle stampe rifiutate.

L'insieme di questi miglioramenti ha permesso a LIFT di decollare in tempi record. In meno di 13 mesi, Matt e il suo team sono passati da un'idea originale al successo del primo volo con equipaggio, sfruttando il controllo di volo semi-autonomo, la propulsione elettrica e una grande quantità di abilità di progettazione e di entusiasmo imprenditoriale per arrivarci. Il tutto mantenendo un rigoroso approccio "safety first" in ogni aspetto dello sviluppo e della produzione dei pezzi.

Essendo uno dei primissimi velivoli eVTOL di produzione al mondo, l'HEXA di LIFT sta già battendo nuove strade. Il CEO Matt ritiene che si tratti di una posizione pionieristica che l'azienda è ben attrezzata per mantenere grazie alle preziose lezioni apprese dal team e alle tecnologie in uso.

Poiché non è richiesta la certificazione, possiamo puntare a cicli di produzione molto più vicini a ciò a cui assistiamo nel settore tecnologico. Puntiamo a un ciclo di 2-3 anni, anziché a uno di 20-30 anni, come attualmente si tende a vedere nel settore dell'aviazione. E parte di ciò che lo consente è la stampa 3D.

Con la produzione additiva, non è necessario investire in enormi quantità di ordini che richiedono stampi e in tutte quelle cose costose che hanno senso solo se si ha necessità di ottenere decine di migliaia di unità di un particolare. Se serve realizzare solo un migliaio di unità di un particolare, è molto più economico stampare in 3D. E poi è anche più veloce, quindi possiamo iterare più velocemente e la versione successiva può uscire molto prima.

meglio ancora", conclude Matt, "è possibile ottenere tutto questo dando sempre la priorità alla sicurezza". Ed è a questo che si riduce tutto. Ciò premesso, abbiamo una grande responsabilità. Saremo i primi a lanciare un servizio in cui le persone possono pilotare velivoli ultraleggeri elettrici con decollo e atterraggio in verticale. Prendiamo molto seriamente questa responsabilità. Il che significa che prendiamo molto sul serio anche le tecnologie di progettazione e produzione che utilizziamo"