Flugzeughersteller nutzt Lösungen von Siemens, um die Produktentwicklungszeit für vollelektrische Flugzeuge aus Verbundwerkstoffen zu reduzieren

Eine disruptive Veränderung

Als George Bye acht Jahre alt war, nahm ihn seine Mutter mit auf seinen ersten Flug in einer Piper Cub. Seitdem wurde das Fliegen für ihn zur Sucht. Zuerst als Pilot und Trainer der U.S. Air Force, dann als Luft- und Raumfahrtingenieur und Lehrer und jetzt als Chief Executive Officer (CEO) und Gründer von Bye Aerospace (Bye) wird er von der Idee angetrieben, eine Brücke zwischen der Vergangenheit und der Zukunft der Luftfahrt zu schlagen.

„Das disruptive Element, das die Möglichkeiten von Elektroflugzeugen verändert, ist das Antriebssystem“, sagt Bye. „Die Entwicklung von Elektromotoren und Batterien und ihre Entwicklung von vor 10 oder 20 Jahren bis heute ermöglicht es erstmals, ein wirklich disruptives Flugzeug zu entwickeln, das niedrigere Betriebskosten aufweist, kein CO2 ausstößt und sehr geräuscharm ist. Das ist das Puzzleteil, das alles verändert.“

Auf dem Weg zur FAA-Zertifizierung

Bye Aerospace ist mitten im Prozess zur Zertifizierung von zwei Elektroflugzeugprojekten gemäß Federal Aviation Administration (FAA) 14 Code of Federal Regulations (CFR) 23, wobei das erste und wichtigste das zweisitzige eFlyer 2-Trainingsflugzeug ist. Diese beiden Projekte erstrecken sich von der kaufreifen Phase bis hin zur Forschungs- und Entwicklungsphase (F&E).

„Die FAA-Zertifizierung ist der Nachweis für Qualität und Sicherheit“, sagt Bye. „Zum ersten Mal überhaupt, haben wir jetzt mit einem elektrischen Antrieb für Flugzeuge diesen Prozess angestoßen.“

„Wir sind bahnbrechend, wenn man so will, an der Spitze der Zertifizierung“, sagt Chefingenieur Tom Bowen. „Wir haben eine sehr kooperative Beziehung zur FAA, weil wir die Ersten sind. Wir haben das erste Flugzeug, das mit Elektroantrieb nach den FAR 23-Standards zertifiziert wird. Sie sind daher stark darauf angewiesen, dass wir nicht nur die Technologie interpretieren, sondern ihnen auch sagen, wie sie mit den Regeln zusammenhängt und wie sie die Konformitätsverfahren anwenden sollten, damit wir zeigen können, dass wir ihre Standards erfüllen.“

Nahtloser Übergang von der Konstruktion zur Analyse

Der eFlyer 2 ist ein Flugzeug aus Verbundwerkstoffen mit fortschrittlicher Aerodynamik, das auf Spitzentechnologie und den neuesten Erkenntnissen in der Luftfahrtbranche basiert. Das Flugzeug hat eine geringe Anzahl von Teilen, bildet aber ein robustes System und ist dadurch sehr langlebig.

Einer der überzeugenden Punkte des Flugzeugs ist die Reichweite, auf die sich das Gewicht direkt auswirkt. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen ist hier ein entscheidender Teil der Strategie. Die für die Struktur verantwortliche Abteilung von Bye hat mehrere Lösungen von Siemens Digital Industries Software eingesetzt, um das Flugzeug abheben zu lassen, insbesondere das Fibersim-Portfolio™ und die NX-Software™. Sie verwenden Fibersim, um die strukturelle Integrität der Composite-Flugzeugzelle zu optimieren, und NX, um die äußere Form des Flugzeugs zu entwickeln. Fibersim wird verwendet, um die Schichten von Verbundwerkstoffen von außen nach innen aufzubauen.

Das Unternehmen verwendet zudem Teamcenter-Software® für Produktdaten- und Gesamtmanagement, Simcenter™ STAR-CCM+ ™ für numerische Strömungssimulation (CFD), Simcenter 3D-Software für Analyse, Prüfung und Zertifizierung sowie Capital Software für Kabelbaum und Layout ™. Durch den Einsatz dieser fünf Produkte, die Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform aus Software, Hardware und Dienstleistungen sind, konnte Bye einen nahtlosen durchgängigen Prozess schaffen.

„Der Grund, warum wir NX anstelle eines anderen CAD-Systems verwenden, ist, dass es einen nahtloseren Übergang von der Konstruktion zur Analyse hat, was uns mehr Zeit gibt, mehr Iterationen an unserer Konstruktion durchzuführen“, sagt Parijaat Malik, Senior Mechanical Systems Engineer. „Wir sind in der Lage, ganz einfach ein paar Änderungen vorzunehmen und die Konstruktion zu analysieren und einfach die Änderungen vorzunehmen, die wir brauchen, damit diese spezielle Konstruktion funktioniert. Eines der wichtigsten Dinge, die NX bietet, ist die Wellenverknüpfung, die die Parametrisierung der Baugruppe so viel robuster macht als jede andere verfügbare CAD-Software.“

Ein Fundament für zukünftige Produkte

„Die eFlyer-Flugzeugfamilie beginnt mit dem eFlyer 2“, sagt Bowen. „Der Aufwand, den wir in die Definition des eFlyer 2 in der Siemens-Software stecken, ist die Grundlage für alle zukünftigen Produkte. Der typische Programmablauf beim Modellwechsel ist das, was wir eine Tear-up-Phase nennen, in der wir das, was nicht zu unserem zukünftigen Modell passt, verwerfen und dann mit unserer Konstruktion von vorne beginnen.

„Die Siemens-Software ermöglicht es uns, diese Konstruktion mehr oder weniger in die nächste Konstruktion und darüber hinaus einfließen zu lassen. Der Vorteil ist natürlich, dass es sich nicht nur um eine physische Änderung oder eine Modellierungsänderung handelt, sondern auch um die Analyseressourcen, die mit dieser einen Quelle der Wahrheit, dem Modell, verknüpft sind. Wenn wir also das Modell modifizieren, verändern sich mit dem Flugzeug auch alle anderen damit verbundenen Aktivitäten.“

„Was Bye Aerospace also zu Flexibilität im Konstruktionsprozess verhilft, ist die Wellenverknüpfung, die Möglichkeit, eine Top-Down-Struktur zu schaffen, bei der man etwas so Einfaches wie eine Form in Stücke zerlegen und an Personen weitergeben kann, die für die Konstruktion dieser Teile verantwortlich sind und die die Details hinzufügen“, sagt Malik. „Und dank der Wellenverknüpfung sind ist es möglich, Konstruktionsänderung problemlos an andere Konstrukteure weiterzugeben, ohne diese Änderungen in Meetings kommunizieren zu müssen und eine Reihe von Dingen zu ändern, nur um die Änderungen anderer zu berücksichtigen. Sie können einfach eine Baugruppe öffnen und sehen, was damit verknüpft ist, und sehen, welche Änderungen auf der Seite der anderen Person vorgenommen wurden und wie sich dies auf Ihren Entwurf auswirkt. Dann können Sie die erforderlichen Änderungen vornehmen, um der Konstruktion als Ganzes gerecht zu werden.“

Jedes Flugzeug beginnt mit dem Konstruktionskonzept. Es basiert auf der Vorstellung des Unternehmens, wie das Flugzeug aussehen und welche Leistungsmerkmale es haben muss. Darauf aufbauend beginnt Bye mit der Entwicklung der Systeme im Inneren des Flugzeugs.

„Die Siemens-Software spielt dabei eine Rolle, denn man beginnt sein Konzept mit einer sogenannten einfachen optimalen Linie, also der Form des Flugzeugs in NX“, sagt Malik. „Man fängt an, diese zu detaillieren, und basierend auf den Verbundwerkstoffen, die man verwenden muss, und den Spannungen, die auf die Struktur des Flugzeugs einwirken, kann man in Fibersim ein Layout erstellen, das detailliert die einzelnen Lagen beschreibt und wie die Reihenfolge dieser Lagen in der Struktur aussehen muss.

„Sie können die Daten von Fibersim in NX übertragen, wodurch Sie die richtige Dicke in Ihrer Struktur und die richtigen Oberflächen erhalten, auf denen Sie Ihre Systeme montieren müssen.“

Konstruktion im Hinblick auf Veränderung

„Wir haben den eFlyer 2 im Hinblick auf Veränderung entwickelt“, sagt Jim Forrester, Director of Design and Engineering. „Wir verwenden einen Top-Down-Konstruktionsprozess, der durch die Wellenfunktion in NX ermöglicht wird. Bye kann damit die Modelle einfach aktualisieren, um alle Änderungen widerzuspiegeln. „Wir können diesen eFlyer 2 nehmen und am Ende werden wir diese aerodynamische Form so ändern, wie sie für einen eFlyer 4 sein muss, und dann werden wir den eFlyer 2 in einen eFlyer 4 verwandeln. Ich gehe davon aus, dass dies etwa eine Woche dauern wird. Wir erzielen dadurch erhebliche Einsparungen.

„Wir können entweder die gleiche Anzahl von Iterationen in kürzerer Zeit oder mehr Iterationen in der gleichen Zeit durchführen. Bei Bye Aerospace machen wir beides. Wir verkürzen unsere Produktentwicklungszeit und führen gleichzeitig mehr Iterationen durch. Am Ende können wir so schnell mit dem richtigen Flugzeug auf den Markt kommen.“

Ein „Technologie-Enabler“

„Bei einem typischen Programm gibt es zwei Iterationen“, sagt Bowen. „Wenn man einen sehr guten Job macht, kommt man auf drei. Mit den Siemens-Lösungen können Sie tatsächlich wöchentlich iterieren, so dass die Möglichkeit, sich anzunähern und zu einer 99- oder 100-prozentigen Lösung für Ihre Anforderungen zu iterieren, der größte Vorteil bei der Nutzung der integrierten Siemens-Software ist.

„Unser Konstruktionsteam umfasst 20 Mitarbeiter. Bei einem herkömmlichen Unternehmen wären es 50 bis 60. Wir können uns das leisten, weil die Siemens-Simulationssoftware derart integriert ist, dass man die traditionellen Spezialisten nicht mehr benötigt.“

„Als Systemingenieur bin ich der Meinung, dass der größte Vorteil der Siemens-Software darin besteht, dass sie die Zusammenarbeit bei der Konstruktion fördert“, sagt Parijaat Malik.

„Insbesondere die CAD-Software NX, die wir derzeit verwenden, ist ein Technologie-Enabler. Damit bleibt Bye Aerospace an der Spitze", sagt Bye. „Die Fähigkeit, alle Aspekte einer Flugzeugkonstruktion zu erfassen, ist sehr hilfreich. Bei der Erfassung des eFlyer 2 ist die Siemens-Software besonders gut in der Lage, uns beim Übergang zu dem zu unterstützen, was als nächstes kommt.“