Drones:composiet UAV's vliegen op

Verandering, beter nog, snelle verandering. Dit typeert het beste de huidige staat van het ontwerp en de fabricage van onbemande luchtvaartuigen (UAV). Een grote verandering is de terminologie. UAV's zijn nu drones , en dronetechnologie, die ooit bijna uitsluitend beperkt was tot militaire missies, tarten beperkende definities en vinden gebruik in tal van geavanceerde industriële, commerciële en consumententoepassingen. Niet langer beperkt tot controle door mensen op de grond, bepalen drones ook het lot van autonome technologie - wat het zal zijn en hoe het kan worden gebruikt.

Op de radar:drones voor communicatie, automatisering

Een van de grote beloften van het gebruik van composieten in drones is als een enabler voor persistente, langdurige systemen die wifi-internettoegang over een groot gebied bieden. Idealiter zouden dergelijke drones op zonne-energie werken en wekenlang landgebieden van vele vierkante kilometers kunnen bedienen met ononderbroken internettoegang. Er zijn ten minste twee programma's die deze technologie nastreven, en de resultaten zijn tot dusver veelbelovend, zij het gemengd.

Een daarvan is het werk van socialemediagigant Facebook (Menlo Park, CA, VS) en de andere is een product van het Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, MA, VS). Elk heeft prototypes gebouwd en gevlogen en streeft naar ongekende UAV-vluchtduur met radicaal nieuwe ontwerpen, die, noodzakelijkerwijs, hopen de voordelen van geavanceerde composieten te maximaliseren.

In ontwikkeling sinds 2014, Facebook's Aquila (Fig. 1), een volledig koolstofvezelcomposiet, op zonne-energie aangedreven drone met vier propellers, is twee keer getest. In 2016 was het 96 minuten onder de 305 m in de lucht en het afgelopen jaar vloog het ongeveer 106 minuten en bereikte een hoogte van 914,4 m. De Aquila is bedoeld voor grote dingen:Aquila's aangegeven doelklantenbestand is de enkele miljarden mensen over de hele wereld zonder betrouwbare online toegang. Gezien de enorme geografische schaal moet de drone in staat zijn om zeer lange, ononderbroken vluchten te kunnen maken, en dat heeft op zijn beurt ingrijpende gevolgen voor Aquila's vliegprestaties en ontwerpparameters. Facebook moet onbemande vliegtuigen bouwen en lanceren die gedurende maanden ononderbroken kunnen vliegen en op zeer grote hoogte - 60.000-90.000 ft (18.290-27.430m). Op deze hoogte kan de drone wifi-dekking bieden over ongeveer 60 vierkante mijl. Wanneer de technologie geperfectioneerd is, heeft Facebook-CEO Mark Zuckerberg verklaard dat hij van plan is een vloot van drones te bouwen.

Hoewel dit potentieel goed nieuws is voor de composietenindustrie, heeft Facebook weinig specifieke technische details vrijgegeven over de Aquila of de koolstofvezelmaterialen en het laminaat waarmee het is gemaakt. CW heeft vernomen dat de in de vlucht geteste versie een "spanwijdte heeft die breder is dan die van een Boeing 737", wat neerkomt op een bereik van 110 ft (± 34 m). Zonder het extra gewicht en de weerstand van een conventioneel landingsgestel, is de Aquila is ook uitgerust met een Kevlar "landingsplatform" dat aan de onderkant van de motorpods is bevestigd, een reden waarom het slechts ongeveer 454 kg weegt, waarbij ongeveer de helft van die massa wordt ingenomen door batterijen. Zuckerberg heeft echter duidelijk gemaakt dat de drone nog lichter gemaakt moet worden.

Als de drone tegen de wind in vliegt, vliegt hij door zijn ontwerp met een landsnelheid van slechts 10-15 mph, waardoor hij gecentreerd blijft boven het doelgebied dat bedoeld is om het signaal te ontvangen. Het communicatiesysteem zal lasers gebruiken om gegevens over te dragen, wat ongeveer 10 keer sneller is dan glasvezel op het land. Op de tweede, meest recent gevlogen versie van de drone, zorgde een niet-gespecificeerd coatingmateriaal dat op de vleugels werd aangebracht voor een "soepelere afwerking" en wordt gecrediteerd voor een verdubbeling van de klimsnelheid tot 54,9 m/min, vergeleken met de klimsnelheid van de eerste drone. Dat gezegd hebbende, valt nog te bezien of Aquila's ambitieuze vliegduurdoelen kunnen worden gehaald met alleen zonne-energie. De belangrijkste uitdagingen van het project in de volgende fase, volgens berichten op de Aquila Facebook-site, zijn efficiëntie van zonnepanelen, batterijopslag en het bereiken van acceptabele kostenparadigma's voor gebruik. Facebook zegt van plan te zijn het testprogramma uit te breiden met drones met verschillende "vormfactoren, maten en gewichten", en naar grotere hoogten te vliegen in de volgende ronde van testvluchten.

Ondertussen heeft een team van MIT-ingenieurs een UAV ontworpen, gebouwd en getest met een spanwijdte van 24 ft (7,32 m), volledig vervaardigd uit composieten versterkt met koolstofvezel en Kevlar (Fig. 2), Het doel van het UAV-ontwikkelingsproject, genaamd Jungle Hawk Owl en gefinancierd door de Amerikaanse luchtmacht (Gateways Branch, AFLCMC/HNAG, Hanscom Air Force Base, Bedford, MA, VS), is iets bescheidener dan die van Facebook's Aquila . Het doel is om een ​​drone te bouwen die vijf of meer dagen in de lucht kan blijven, op hoge en lage geografische breedtegraden, in alle seizoenen, op een hoogte van ongeveer 4.572 meter. Zo'n drone zou zijn ontworpen om te functioneren als een communicatieknooppunt en tijdelijke internet-/telefoonverbindingen over een groot gebied te bieden in het geval van een grootschalige stroom- of servicestoring.

Het ontwerp van de drone was gemodelleerd naar een zweefvliegtuig, met een typisch dun aerodynamisch profiel. De eerste, volledige versie, die het afgelopen jaar werd getest op een maximale hoogte van 122 m, heeft een vleugeldikte van 42,4 mm die taps toeloopt tot 20,8 mm en een totaal leeggewicht van slechts 12,7 kg. Nadat kleine aanpassingen aan het vliegtuig en het lanceersysteem op het dak van de auto zijn voltooid, Deze zomer staan ​​er vliegtests op grote hoogte gepland, waarbij de drone een volledige lading communicatieapparatuur en brandstof zal dragen, met een gewicht tot 45,4 kg.

John Hansman, hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT en een van de medewerkers die toezicht houdt op het studentenonderzoek, een samenwerking tussen MIT en het MIT Lincoln Laboratory (Lexington, MA, VS), meldt dat de vleugels bestaan ​​uit een kernsandwich gegoten in een twee- stap proces. Om de nodige aerodynamische precisie te bereiken, werd de bovenlaag van de vleugel afzonderlijk gevormd, via vacuüminfusie, uit een laag unidirectionele koolstofvezelstof die 90° was georiënteerd op de lengte van de spanwijdte. Om de onderste wingskin te maken, werden rondhoutkappen van verschillende diktes gevormd uit unidirectionele stof en in de mal geplaatst. Styrofoam werd vervolgens rond en tussen de liggerkappen geplaatst en de bodemhuid werd vacuümzakken op zijn plaats tegen de constructie geplaatst. De bovenste huid werd vervolgens op de bodem gemonteerd en in 12K-kabel gewikkeld. Alle weefsels waren doordrenkt met West Systems 105, een epoxy met lage viscositeit geleverd door Gougeon Bros. Inc. (Bay City, MI, VS). Alle mallen zijn CNC-gefreesd uit RenShape 440 polyurethaanschuim, geleverd door Freeman Manufacturing &Supply Co. (Avon, OH, VS).

Voor het maken van de romp, waarin de benzinemotor is gehuisvest (zie het zijverhaal "Drones:MIT-software doet twijfel rijzen over UAV's op zonne-energie") en de brandstoftank, gebruikte het team een ​​eenvoudige cilindrische betonnen mal, bracht twee lagen unidirectioneel weefsel aan, een op 90° en één op 45°, op de binnendiameter van de buis, gebruik vervolgens een torusvormige vacuümzak die door en rond de buis is geplaatst om de stof vacuüm te trekken, met de buitenste laag van het laminaat tegen de binnenwand van de buis. Om de neuskegel, die de communicatie-elektronica bevat, te vervaardigen, werd een uitwendige kegelvormige mal in twee helften vervaardigd uit schuim. Een enkele laag 0° Kevlar-stof werd op de vormhelften (die aan elkaar waren gehecht) gelegd en vacuüm getrokken.

Drones — nieuwe spelers in de industrie

Drones hebben een impact op het industriële domein en gaan naar de lucht waar het voor arbeiders en conventionele machines, inclusief robots, moeilijker en duurder is om te gaan.

Een toepassing met een potentieel grote toekomst is de veiligheidsinspectie van verouderende windbladen. UAV's uitgerust met camera's voor militair toezicht waren een van de eerste toepassingen van de technologie. Tegenwoordig kunnen drones die zijn uitgerust met speciale camera's en autonoom worden bediend door uiterst geavanceerde software, de rotorbladen van een gigantische windturbine in slechts 15 minuten inspecteren (inspectie door een mens kan een hele dag duren) en visueel bewijs van schade aan een webportaal voor weergave op het scherm door inspecteurs in een meer comfortabele omgeving. CW heeft dit groeiende, op drones gebaseerde zakelijke fenomeen behandeld in het nummer van mei (zie "Service &reparatie:de impact van windenergie op het net optimaliseren").

Een groep onderzoekers van het Institute for Building Structures and Structural Design en het Institute for Computational Design van de Universiteit van Stuttgart (Stuttgart, Duitsland) heeft een nieuwe en slimme methode gedemonstreerd om drones te gebruiken in combinatie met industriële robots om een ​​composietstructuur met een lange overspanning te fabriceren via een vezelwikkelproces. Collaborative wikkeling, zoals het wordt genoemd, omvat het gebruik van twee stationaire industriële robots en een op maat gemaakte, lichtgewicht drone of UAV "tussenpersoon" om constructies met lange overspanningen te fabriceren in de interstitiële ruimte tussen de robots (Fig. 3). In eenvoudige bewoordingen zorgt de fabricagelay-out voor een gunstige arbeidsverdeling die profiteert van de sterke punten van beide machines - de robots worden gebruikt om de met hars geïmpregneerde roving nauwkeurig op het opwindframe te plaatsen, terwijl de drone de vezel van de spoelen naar elk pendelt. van de robotarmen, waardoor de beperking wordt omzeild die wordt opgelegd aan de onderdeelgrootte door de bereikomhulling van de robot-eindeffector. Tot nu toe was het primaire alternatief voor het fabriceren van grote onderdelen die het bereik van de robot overschrijden, het onderdeel te bouwen door middel van modularisatie, een proces dat niet ideaal is, vooral als de gefabriceerde structuur dragend is.

Het project was het werk van acht onderzoekers van de universiteit en is samengevat in de paper "Multi-Machine Fabrication", gepubliceerd in de november 2017-editie van Acadia , een tijdschrift over interieurarchitectuur en ruimtelijk ontwerp. De werkcel bestond uit twee 6-assige KUKA (Augsburg, Duitsland) KR 210 R3100 Ultra-robots, uitgerust met stalen verlengstukken, een hydraulische grijper om de opwindeffector van de UAV te grijpen en een infraroodcamera die werd gebruikt om de locaties van de robot te synchroniseren met de UAV . Een aangepast spanmechanisme, gebaseerd op spaninrichtingen die worden gebruikt in extrusie- en walstoepassingen, biedt controle over de vezelspanning wanneer deze van de vezelbron naar de UAV of robot wordt geleid.

James Solly, een van de projectonderzoekers, zegt dat het uiteindelijke ontwerp van de op maat gemaakte drone is afgeleid van vier eerdere prototypes, in een ontwerpproces dat het team in staat stelde het gewicht van de drone te optimaliseren en het vlieggedrag te stabiliseren. Onderdelen voor het dronelichaam werden vervaardigd uit standaard koolstofplaat, terwijl de armen van het vaartuig werden vervaardigd uit 20 mm koolstofbuizen. Andere, kleinere stukken, zoals connectoren en spacers, werden 3D-geprint van polymelkzuur (PLA). De afmetingen van de drone zijn ongeveer 92 bij 92 bij 31 cm en het voertuig kan een laadvermogen van ongeveer 2 kg dragen.

Om een ​​enkel ankerpunt op te winden, beweegt de robotarm rond het opwindframe met de geïmpregneerde vezel boven het laminaat. Bij het bereiken van het ankerpunt wikkelt de robot de vezel eromheen en keert vervolgens de wikkeleffector terug naar het landingsplatform waar de UAV wacht. Nadat de uitwisseling is bevestigd, schakelt het spanningsmechanisme over naar lage spanning en draagt ​​de drone de afwikkelvezel naar het volgende robotplatform. De onderzoekers gebruikten de robot-drone-cel om een ​​12 m lange demonstrator-cantilever te fabriceren als een voorbeeld van de vorm en grootte van onderdelen die niet konden worden geproduceerd door de traditionele geautomatiseerde opstelling van de vezelopwinding (Fig. 4). Het onderdeel bestond uit enkelzijdige continue glasroving, SE1500-2400tex geschonken door Lange+Ritter GmbH (Gerlingen, Duitsland) en SIGRAFIL continue koolstofvezelkabel, CT50-4.0/240-E100, geschonken door SGL Technologies GmbH (Wiesbaden, Duitsland). Vezels werden vooraf geïmpregneerd met EPIKOTE MGS LR 135 epoxyhars geformuleerd met EPIKURE MGS LH 138 verharder, geleverd door Hexion (Columbus, OH, VS). Het onderdeel werd vervaardigd met gebruikmaking van voorgepregde vezels en droge vezels geïmpregneerd in een vezeldipharsbad. Solly meldt dat het proces dat door het project is gedemonstreerd, het meest geschikt is voor het produceren van horizontale constructies met lange overspanningen tussen verticale steunen, zoals balzaaldaken of voetgangersbruggen, waarbij de vermindering van het eigen gewicht naar verwachting een aanzienlijke vermindering van het gebruikte materiaal en de kosten zal opleveren. Hij meldt dat hij en zijn collega's zullen ingaan op het proces en de toepassingen ervan met een paper die wordt gepresenteerd op de komende conferentie van de International Association for Shell and Spatial Structures (IASS 2018), 16-20 juli, Boston, MA, VS.

In een ander industrieel gerelateerd project onderzoekt een onderzoeksteam van het MIT Media Lab het gebruik van drones om magazijninventaris te lokaliseren en te identificeren via radiofrequentie-ID (RFID)-tags. Er wordt al enige tijd erkend dat er behoefte is aan verbeteringen in de praktijken voor voorraadboekhouding, veroorzaakt door de schaalvergroting van moderne magazijn- en verzendingsactiviteiten. Handmatig scannen is arbeidsintensief, kostbaar en foutgevoelig. Walmart rapporteerde bijvoorbeeld in 2013 dat het meer dan 3 miljard dollar aan inkomsten verloor als gevolg van discrepanties tussen de voorraadgegevens en de werkelijke voorraad.

Het MIT-team heeft met succes een prototype ontwikkeld waarmee kleine, lichtgewicht drones met flexibele plastic rotors - het enige type dat is goedgekeurd voor gebruik in de directe nabijheid van mensen - RFID-tags van tientallen meters afstand kunnen lezen en de locaties van de tags met een gemiddelde fout kunnen identificeren van ongeveer 19cm.

De Bebop-2 drones die voor het onderzoek worden gebruikt, zijn vervaardigd door Parrot Corp. (Parijs, Frankrijk). De drone is speciaal ontworpen om lage trillingen te vertonen voor toepassingen zoals fotografie en heeft een romp gemaakt van met glas gevuld Grilamid TR-nylon, geleverd door EMS-CHEMIE AG (Domat/Ems, Zwitserland). Elke drone weegt ongeveer 500 gram en kan ongeveer 25 minuten autonoom vliegen. Hoewel ze zijn goedgekeurd voor gebruik in de buurt van mensen, zijn de drones te klein om een ​​RFID-lezer met een bereik van meer dan enkele centimeters mee te nemen. In plaats daarvan - dit is de belangrijkste doorbraak in het onderzoek - worden de drones gebruikt om signalen van een standaard RFID-lezer door te geven aan een RFID-tag. Wanneer het signaal de tag bereikt, codeert de tag zijn identifier op het signaal voordat het teruggestuurd wordt naar de drone. De drone stuurt het signaal door naar de lezer, die de identifier decodeert, en dus het item en de locatie van het item. Het team werkt momenteel aan het verbeteren van de precisie van het lokalisatiemechanisme over langere afstanden, evenals aan manieren om de snelheid en schaalbaarheid van het proces te verbeteren.

Innovatie stimuleert nieuwe drone-toepassingen

Materiaalleveranciers, contractfabrikanten voor 3D-printen en leveranciers van printapparatuur melden groeiende omzet van dronefabrikanten en ontwikkelen nieuwe producten en mogelijkheden om dit bedrijf te bedienen.

Clearwater Composites LLC (Duluth, MN, VS) produceert een lijn koolstofvezelbuizen en platen die het levert aan fabrikanten van industriële apparatuur, robotica, ruimtevaart, sportartikelen en UAV's. Buizen, in verschillende vormen, worden voornamelijk gemaakt door unidirectionele koolstofvezel epoxy prepreg op een doorn te rollen, met een uitharding bij 250°C. De buizen zijn gemaakt van standaard, hoge en ultrahoge modulus, de laatste gemaakt van pekvezels. Het bedrijf vervaardigt platen in verschillende diktes, in platen tot 1,2 m bij 2,4 m, van gelijkaardige materialen via persgieten of vacuüminfusie. President Jeff Engbrecht zegt dat zijn UAV-klanten typisch Noord-Amerikaanse bedrijven zijn die UAV's ontwerpen en bouwen voor hoogwaardige industriële en ruimtevaarttoepassingen.

Clearwater, zo meldt hij, levert een van zijn klanten, een UAV/drone-ontwerper en fabrikant, een op maat gemaakte, dunwandige (0,03-inch/0,76-mm) buis, gemaakt van Toray Industries' (Tokyo, Japan) hoge modulus M46J koolstofvezel. De buis, voor een niet-gespecificeerde nieuwe toepassing, is aan het ene uiteinde rond en loopt vervolgens taps toe naar een ovale vorm aan het andere uiteinde.

Stratus Aeronautics (Burnaby, BC, Canada) vervaardigt drones die voornamelijk worden gebruikt voor het uitvoeren van magnetische en luchtonderzoeken in wetenschappelijk onderzoek, mijnbouw, militaire en andere toepassingen. Deze survey-drones zijn ontworpen en gebouwd in configuraties met vaste vleugels en met meerdere rotors en bieden aanzienlijke kostenvoordelen ten opzichte van bestuurde vaartuigen.

De vaste Venture . van het bedrijf r UAV (Fig. 5) is een klein, lichtgewicht vliegtuig, aangedreven door een 100 cc tweetakt gasmotor en is in staat tot langdurige (>10 uur) missies - niet mogelijk met een bestuurd vaartuig.

Het vliegtuig heeft een casco dat is gevormd uit prepreg koolstofvezel, vleugels bestaande uit een semi-monocoque met schuimkernen en een monocoque romp zonder kernen.

Curtis Mullen, de technisch directeur van het bedrijf, zegt dat het ontwerp en het testen van een nieuwe elektrische UAV met meerdere rotoren bijna voltooid zijn. Met een lengte van 3 meter en een gewicht van ongeveer 15 kg is hij, op de elektronica na, volledig opgebouwd uit koolstofvezelcomposieten. "Het chassis is een zelfrichtende, monocoque structuur gemaakt van CNC-gefreesde koolstofplaat", meldt Mullen. Buisvormige koolstof met variërende vezeloriëntatie en moduli, afhankelijk van lokale belastingen, omvat de rest van de structuur. Bij CW Persmoment van juli, het bedrijf was van plan om de bouw- en vluchttests in juni/juli af te ronden en Venturer te introduceren later in 2018 op de markt.

Drones sluiten naadloos aan bij 3D-printen

Gezien de snelle ontwikkeling van dronetechnologie mag het geen verrassing zijn dat dronebouwers de aanzet hebben gegeven voor additive manufacturing van composieten. Drone-ontwerpers gebruiken niet alleen grootformaat 3D-printers om de snelle prototyping uit te voeren waarvoor de processen voor het eerst werden bedacht, maar ook, naarmate die processen evolueren, om ook gereedschap en afgewerkte onderdelen te leveren, om te voldoen aan snelle doorlooptijden die vereist zijn door drone-OEM's .

Impossible Objects (Northbrook, IL), bijvoorbeeld, werkte onlangs samen met Aurora Flight Sciences (Manassas, VA) om een ​​achterste stabilisatorbevestiging van 76 bij 38 mm te 3D-printen van polyethyleen met hoge dichtheid (HDPE) versterkt met 25,4 mm gehakt koolstofvezels, met behulp van de Composite-Based Additive Manufacturing (CBAM) -technologie. Het onderdeel werd op dat moment geïnstalleerd op een nieuw vliegtuig dat in ontwikkeling was, ter vervanging van een onderdeel van ongewapend nylon dat brak. Hoewel additieve fabricagetechnologie vaak is gebruikt om prototype- of testonderdelen te maken, zegt Larry Kaplan, CEO van Impossible Objects, dat het bedrijf momenteel werkt aan het beveiligen van verschillende commerciële toepassingen met een groter volume voor onderdelen in drones. Details van de toepassingen kunnen nog niet worden gedetailleerd, maar Kaplan meldt dat het gaat om nieuwe, hittebestendige koolstofvezel/nylon en koolstofvezel/PEEK-materialen die het bedrijf heeft ontwikkeld. "Wij zijn de enige fabrikant van composietadditieven met een versterkt PEEK-materiaal", beweert Kaplan, waarbij hij opmerkt dat er steeds meer vraag is naar materialen met een hoge temperatuurbestendigheid voor onderdelen en mallen.

Printerleverancier Stratasys Inc. (Eden Prairie, MN, VS) werkt samen met materiaalleveranciers en lucht- en ruimtevaart-/dronefabrikanten bij de voortdurende ontwikkeling en commercialisering van zijn 3D-geprinte gereedschapstechnologieën voor het gieten van composietonderdelen. Timothy Schniepp, senior directeur composietoplossingen bij Stratasys, zegt dat de fused deposition modeling (FDM)-machines van het bedrijf de meeste gereedschappen in twee tot drie dagen of minder kunnen produceren, wat betekent dat een klant onderdelen in minder dan een week kan vormen. Het materiaal voor hoge temperaturen van het bedrijf, Ultem 1010, een polyetherimide (PEI) vervaardigd door SABIC (Pittsfield, MA, VS), is een ongevuld materiaal voor algemeen gebruik dat geschikt is voor de vervaardiging van alle lay-up-gereedschappen, inclusief gereedschappen die in de autoclaaf zijn tot 300°F.

Swift Engineering Inc. (San Clemente, CA, VS) gebruikte FDM en Ultem 1010 om op elkaar afgestemde helften van een persmal te vervaardigen voor de met koolstofvezel versterkte epoxypropellerbladen van een UAV. De gereedschappen van 356 x 102 x 51 mm hadden 30 uur bouwtijd nodig en werden handmatig geschuurd en verzegeld met een tweecomponenten epoxy, wat een oppervlakteafwerking Ra (gemiddelde ruwheid) van ongeveer 0,4 µm opleverde.

Rock West Composites (West Jordan, UT, VS) werkt samen met Stratasys om een ​​aantal gereedschapsontwerpen te valideren door testonderdelen te vormen. Adrian Corbett, directeur bedrijfsontwikkeling bij het bedrijf, merkt op dat de drone-industrie meer 3D-geprinte onderdelen in zijn producten opneemt, en 3D-geprinte gereedschappen bieden een duidelijk voordeel in vergelijking met bewerkingsgereedschappen van epoxy of ander gereedschapsmateriaal. "Hierdoor kun je net zo snel een onderdeel maken als je de tool kunt printen", zegt hij.

Kortom, een nieuw drone-productief tijdperk is aangebroken en is hier. Gelukkig is verandering voor velen in de composietenindustrie in dit geval goed.