De materialen achter moderne drones: van koolstofvezel tot lithium-ion batterijen

Top materialen gebruikt in drones:

• Koolstofvezel-versterkte composieten (CRFCs)
• Thermoplasten zoals polyester, nylon, polystyreen, etc.
• Aluminium
• Lithium-ion batterijen

Het lijkt alsof het gisteren was dat drones novelties waren, prototypes gebouwd door bedrijven en enterprising hobbyisten. Nu lijkt het alsof drones de wereld hebben overgenomen. Ze zijn overal, dienend rollen in industrie, kunst, en zelfs als kinderspeelgoed. Mensen overzien vaak het feit dat deze kleine vliegende machines pas recentelijk gemeenschappelijk geworden zijn. Drones zijn nog in hun kinderschoenen, en naarmate materiaal- en microcontroller-technologieën verbeteren, zullen de drones van de toekomst evolueren op manieren die bijna als science fiction kunnen lijken.

Door de manier te onderzoeken waarop drones ontworpen zijn en de materialen waar ze van gemaakt zijn, kunnen we begrijpen hoe deze belangrijke technologie zich ontwikkelde en een gevoel krijgen van hoe het in de nabije toekomst kan voortgang maken.

Dus, wat zijn drones? Hoe zijn ze ontworpen? En wat drijft hun stroom in het worden van een wijdverspreide technologie?

Laten we erachter komen.

Wat zijn drones?

Voor de meeste mensen is een "drone" een specifiek type onbemand luchtvaartuig (UAV): de multirotor of multicopter. Net zoals de naam impliceert, vliegen deze machines door duwkracht neerwaarts te richten vanaf twee of meer motor-aangedreven propellers.

De meest populaire consumentenmodellen zijn quadcopters (4 rotoren), maar commerciële varianten omvatten hexacopters (6 rotoren) en octocopters (8 rotoren) om grotere lift te bieden. Hoewel er een wijd scala aan militaire en civiele drones zijn, richten we ons op veelvoorkomende multirotor drones en de materialen waar ze van gemaakt zijn.

Om te vliegen, moeten drones in staat zijn om genoeg opwaartse duwkracht te genereren om hun eigen gewicht te overwinnen, dus de selectie van materialen in een gedomineerd door het minimaliseren van de drone's massa.

Elke gram materiaal dat gebruikt wordt om een drone te maken, kost energie om op te tillen, en elke gram die bespaard kan worden, verbetert prestaties:

• Verhoogde vrachtcapaciteit
• Verlengde vliegtijd
• Verminderde inertie en verbeterde manoeuvreerbaarheid

Dit proces van het selecteren van materialen en ontwerpen van componenten om massa te minimaliseren heet "lightweighting". Dit geeft ons het belangrijkste materiaaleigenschap selectiecriterium: massa minimaliseren door laag-dichtheid materialen te selecteren.

Onderdeel-voor-onderdeel afbouw

Drones zijn complexe apparaten samengesteld uit verschillende componenten die samenwerken. Elk component vervult een andere functie, dus verschillende overwegingen komen in aanmerking bij het selecteren van materialen voor elk deel. Echter, voor elk stuk van een drone, moet de materiaaldichtheid in rekening gebracht worden om het gewicht te minimaliseren en prestaties te maximaliseren.

De frame: alles bij elkaar houden

De frame geeft een drone zijn vorm en houdt alle subsystemen op hun plaats. Omdat het een mechanische functie vervult, is de belangrijkste materiaaleigenschap voor de frame sterkte. Voor commerciële drones, zijn thermoplasten zoals varianten van nylon, polyester, en polystyreen, populaire keuzes omdat ze goedkoop zijn om in complexe delen te maken met behulp van injectiegietprocessen.

Thermoplasten bieden ook goede sterkte en lage dichtheid, met diverse varianten die treksterktes hebben boven de 100 MPa en dichtheden onder 2 g/cm3. Veel thermoplasten zijn ook beschikbaar in filamenten die gebruikt kunnen worden om custom delen te 3D-printen, wat thermoplasten een populair component van experimentele drones maakt.

Terwijl commerciële drones enig extra gewicht kunnen opofferen om meer betaalbaar te zijn, prioritiseren industriële drones prestaties. Een materiaal dat hoog in sterkte is, kan in kleinere hoeveelheden gebruikt worden, wat resulteert in een nog lichtere, hogere prestaties drone.

Als we een Matmatch zoekopdracht gebruiken om de laagste-dichtheid en hoogste-sterkte materialen te vinden, vinden we de topkeuze voor high-performance drone frames: koolstofvezel-versterkte composieten. Deze composieten bieden hoge sterkte, lage dichtheid, en hoge stijfheid om lichte, rigide drone frames te maken.

Motoren & propellers: opstijgen

Zonder een bron van duwkracht, zou een drone nooit van de grond komen. De motoren die drones aandrijven zijn conventionele elektrische motoren met koperen wikkeling en permanente magneten. De behuizing van de motoren kan gekozen worden om gewicht te minimaliseren, en zowel thermoplasten als aluminiumlegeringen bieden goede sterkte-gewichtsverhoudingen.

Echter, motoren kunnen significante warmte genereren. Dus, materialen met hoge thermische geleidbaarheid, zoals aluminium, kunnen voor de behuizing gebruikt worden om de motor te helpen koelen.

De rotorbladen van drones draaien met hoge snelheden, dus ze neigen om de meeste slijtage op te lopen wanneer een drone vliegt (of crasht). Net als de framematerialen, is het kiezen van een optimale rotorbladmateriaal een kwestie van sterkte maximaliseren terwijl gewicht geminimaliseerd wordt.

Sommige rotorbladen zijn gemaakt van koolstofvezel-versterkte composieten. Echter, rotorbladen worden vaak beschadigd en vervangen, dus veel zijn gemaakt van thermoplasten om de vervangingskosten te verlagen wanneer ze breken.

Omdat rotorbladen meestal beschadigd worden bij hoge-snelheid impacten terwijl ze draaien, kan een ingenieur die een duurzaam rotorblad wil ontwerpen, materialen filteren op impactssterkte en dichtheid om een geschikt materiaal te selecteren.

Batterijen: de kracht om te vliegen

Van alle componenten in een drone, verbeteringen in batterijtechnologie kunnen wel de belangrijkste doorbraak zijn die moderne multirotor drones mogelijk maakten. Op dezelfde manier dat sterkte-gewichtsverhoudingen overwogen worden bij het ontwerpen van mechanische componenten, kan batterijprestaties gemeten worden in termen van de batterij's gewicht.

Metingen zoals specifieke energie (J/kg) en specifiek vermogen (W/kg) beschrijven een batterij's vermogen om energie op te slaan en vrij te geven in termen van de batterij's massa.

Oudere loodzuur en Ni-Cd batterijen wogen te zwaar voor een drone die ze aangedreven om lang te vliegen, als het zichzelf al van de grond kon tillen. Echter, moderne lithium-ion batterijen bieden genoeg energie en vermogen in een lichtgewicht pakket om vandaag de dag multirotor drones mogelijk te maken. Toekomstige vooruitgang in batterij- en condensatortechnologie zal nog lichtere, hogere prestaties drones mogelijk maken.

Sensoren: het zenuwstelsel van de drone

Multirotor drones zijn betrokken bij een delicaat balanceringsact elke keer dat ze vliegen. Als één motor te veel duwkracht levert, zal de drone kantelen of zelfs omvallen. Net zoals het menselijk lichaam een complex netwerk van zintuigen en zenuwen gebruikt om zichzelf in balans te houden tijdens het lopen, gebruiken multirotor drones een indrukwekkende set sensoren en feedback mechanismen om in de lucht te blijven.

De meest vitale onderdelen van een drone's "zenuwstelsel" zijn zijn kantelsensoren. Een mengsel van gyroscopische sensoren en versnellingsmeters combineren, zijn kantelsensoren verbonden met feedback lussen met de drone's motoren.

Een drone in vlucht maakt constant kleine aanpassingen aan motor duwkracht om vlak te blijven, wat het in staat stelt te herstellen van luchtstromingen en extreme manoeuvres. Sommige geavanceerde drones kunnen ook elke rotor onafhankelijk kantelen, wat de drone in staat stelt om zowel de richting als de sterkte van de duwkracht die het van elke rotor krijgt te controleren.

Drones kunnen ook een verscheidenheid aan andere sensoren inzetten om hun interne systemen en de wereld om hen heen te monitoren. Stroom en spanning sensoren helpen de drone de energie die getrokken wordt van zijn energievoorraden te volgen, wat de piloot helpt te weten wanneer het tijd is om te landen en op te laden.

GPS en magnetische sensoren helpen bij navigatie door de locatie en orientatie van de drone te meten. Luchtstroomsensoren laten drones hun windsnelheid of windstromingen detecteren, en die informatie kan teruggevoerd worden in zijn balanscircuits om de vlucht van de drone nog stabieler te maken.

Microcontrollers en camera's: slimme drones

Dezelfde vooruitgang in microchip technologie die de moderne smartphone creëerde, maakt het mogelijk voor drones om vliegende computers te zijn. Veel van dezelfde chips die in smartphones gevonden kunnen worden (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm, etc.) verschijnen ook in drones.

Naarmate drones slimmer worden, worden ze capabel van meer geavanceerde taken aan te nemen met minder menselijke controle. Op dit moment betekent dit dat drones vooraf bepaalde paden kunnen volgen zonder een menselijke piloot of metingen kunnen vastleggen van een nog groter array van sensoren. Maar onderzoekers leren hoe drones te programmeren om steeds complexere taken zonder menselijke hulp uit te voeren.

Voor de meeste mensen is het gehele doel van drones om een camera te dragen naar hoogtes die een mens anders niet kon bereiken. Zelfs basis consumenten-drones dragen een camera die of video terugzendt naar een smartphone of afbeeldingen opneemt in geheugen.

Filmstudios gebruiken high-end drones om hun big-budget films te filmen. Echter, vooruitgang in het veld van "computer vision" veranderen camera's in meer dan alleen een payload of hulp voor menselijke piloten. De drones van de toekomst zullen camera's gebruiken om de wereld om hen heen te zien en die informatie gebruiken om zichzelf te sturen.

Drones worden steeds capabeler van te vliegen zonder hulp van een menselijke piloot of zelfs GPS om te navigeren, en dit geeft aanleiding tot een krachtige nieuwe capaciteit: drones die samenwerken. Drone zwermen bestonden vroeger uit teams van drones die GPS gebruikten en communiceerden met een centrale controller om te bepalen waar elk individu in de groep past.

Echter, cutting-edge onderzoek heeft drones geproduceerd die hun eigen onboard sensoren, en zelfs hun camera's, gebruiken om andere drones te herkennen en in formatie te vliegen. Binnenkort kan het alledaags worden om teams van autonome drones die als redders fungeren, gewassen verzorgen, of in zoekformaties vliegen om rampenbestrijding te helpen te zien.

Technologie met wereldwijde impact

Drones lijken overal te zijn. Ze zijn films opnemen, in films spelen, helpen vastgoed verkopen, sport uitzenden, nieuwe sporten creëren, werken op boerderijen en fabrieken, andere drones jagen, en binnenkort misschien pakketten bezorgen. Naarmate materialen, AI, en microcontrollers verbeteren, zullen drones een breed scala aan industrieën blijven revolutioneren.

De toekomst van drones

Drones groeien dagelijks in populariteit en revolutioneren de manier waarop de wereld werkt en speelt. De materialen gebruikt in drones zijn geselecteerd om prestaties te verbeteren met high-sterkte frames en hoge batterijcapaciteiten terwijl gewicht geminimaliseerd wordt.

Het minimaliseren van de drones' gewicht maximaliseert hun prestaties, of het nu gaat om een cinema drone die langere opnames kan maken of een race drone die nog manoeuvreerbaarder wordt. Drones worden ook constant slimmer, en het kan niet lang duren voordat autonome drones een inherent deel van het dagelijks leven zijn geworden.