一直以來，發明家和工程師們都面臨著航空設計的挑戰。對于航空學面臨的兩個挑戰，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。

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

現在，已經有一個挑戰被成功解決：一種受生物啟發設計的自動單旋翼直升機。

完成這一挑戰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協會（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?這門課程是以現實為基礎的，彌合了學術界和工業界之間的鴻溝。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。”

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。”結果，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，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。

   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。

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

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。霍克利說：“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。”隨著材料從更強的PETG轉變為較弱的聚苯乙烯，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）。