展翅飛翔:複合材料時代的無人機

分類: 打印機驅動百科 发布时间:2019-02-12 13:21

無人機技術最初出現在國防應用領域並一直引領這一技術的發展。“全球鷹”作爲世界上最爲著名的高空長航時無人偵察機,由美國諾斯羅譜·格魯門公司爲美空軍研制,由沃特(Vought)飛機工業公司生産。複合材料機翼長達35米,複合材料占結構重量的65%。“全球鷹”代表了目前高空長航時無人機發展的水平和趨勢。

如今,無人機市場發生著迅速的變化。它已經大量在尖端工業、商業和消費者應用中找到用武之地。無人機也不再局限于地面上的人類控制,它還正在塑造自主技術的命運——如何使用它以及將走向何方。

複合材料在無人機上的應用前景之一,是作爲持久、長時間的系統提供支持者,提供廣域Wifi互聯網接入。理想情況下,這種無人機將采用太陽能供電,能夠爲數平方英裏的陸地區域提供服務,並且可以連續數周不間斷地上網。有兩個項目曾追求這一技術,盡管效果喜憂參半,但迄今爲止還是很有希望的。

一個由社交媒體巨頭Facebook開發,另一個是麻省理工學院的国产福利不卡在线视频。二者都制造並試飛行了原型機,目標是用全新的設計來實現前所未有的無人機飛行時間,這種設計必然希望最大限度地利用先進複合材料的優勢。

Facebook的Aquila是一種全碳纖維複合材料、太陽能驅動、四螺旋槳無人機,已經進行了兩次試飛。2016年,它在305米以下飛行了96分鍾,而去年,它飛行了約106分鍾,達到了914.4米的高度。盡管Facebook後來放棄了網絡無人機計劃Aquila。無論如何,其在網絡無人機上的嘗試仍然給業界帶來不少啓發。

無人機的設計以滑翔機爲模型,具有通常很薄的空氣動力學輪廓。第一個全尺寸版本在過去的一年中測試飛行,最大高度爲122米,機翼厚度爲42.4毫米,錐度爲20.8毫米,總空載重量僅爲12.7千克。

为了获得必要的空气动力学精度,机翼的上表面皮肤通过真空灌注单独模制,从单层碳纤维织物的一层取向90°到翼展的长度。为了制作底部翼皮,不同厚度的翼梁帽由单向织物模制并放置在模具中。然后将聚苯乙烯泡沫塑料放置在翼梁帽周围和之间,并将底部表皮真空袋装在结构上。然后将顶部皮肤安装在底部并用12K丝束包裹。所有织物都注入West Systems 105,一种由Gougeon Bros.Inc提供的低粘度环氧树脂。所有模具均由RenShape 440聚氨酯泡沫塑料CNC加工而成。

爲了制造裝有汽油發動機的機身和油箱,該團隊使用了一個簡單的圓柱形混凝土模具,應用了兩層單向織物,一個在90°和一個45°處到管的內徑;然後使用一個環形真空袋,放置在管道的內部和周圍,以真空注入織物,外層的層壓板放置在管道的內壁。爲了制造包含通信電子設備的前錐,外部圓錐形模具由泡沫加工成兩半。將單層0°Kevlar織物鋪在半模(已經粘合在一起)上並真空灌注。

無人機正在工業領域産生影響,在那裏,包括工作人員和機器人在內的傳統機械都面臨著更加困難和昂貴的問題。

一個潛在的巨大未來的應用是老化風力葉片的安全檢查。裝備有用于軍事監視的攝像機的無人機是該技術最早應用之一。如今,無人駕駛飛機配備了專用攝像機,並通過極其複雜的軟件自主操作,可以在短短15分鍾內檢查巨型風力渦輪機的轉子葉片(人工檢查可能需要一整天),並通過門戶網站提供損壞的視覺證據。視察人員可以在更舒適的環境中觀看屏幕。

德國斯圖加特大學建築結構與結構設計研究所和計算設計研究所的一組研究人員展示了一種新穎而巧妙的方法,利用無人機與工業機器人結合,通過纖維纏繞工藝制造出大跨度的複合結構。所謂協同纏繞,是指使用兩個靜止的工業機器人和一個定制的輕型無人機或無人機“中間人”,在機器人之間的間隙空間制造大跨度結構。

簡單來說,制造布局建立了有利的分工,利用了兩台機器的優勢——機器人用于精確地將樹脂浸漬的粗紗放置在繞線架上,而無人機將光纖從線軸移動到每個機器人臂的伸展範圍,從而避免了機器人末端執行器的到達範圍對部件尺寸的限制。到目前爲止,制造超出機器人可及範圍的大型部件的主要替代方法是通過模塊化來制造部件,這一過程並不理想,尤其是如果所制造的結構是承重的。

该项目由该大学的八名研究人员共同完成。该工作单元由两个6轴KUKA KR 210 R3100超级機器人组成,装备有钢制加长件,一个液压夹具来抓住無人機的缠绕效应器,以及一个红外摄像机用来同步機器人与無人機的位置。一种定制张力机构,基于在挤压和轧制应用中使用的张力装置,当纤维从纤维源传递到無人機或機器人时,提供对纤维张力的控制。無人機的尺寸约为92×92×31厘米,飞行器的有效载荷约为2公斤。

爲了纏繞單個錨定點,機器人臂圍繞著纏繞框架移動,浸漬的纖維高到層壓板的上方。當到達錨點時,機器人繞著它轉動光纖,然後將卷繞器返回到無人機正在等待的著陸平台上。在確認交換之後,張力機構切換到低張力,並且無人機將未卷繞光纖運送到下一個機器人平台。研究人員使用機器人——無人機單元來制造一個12米長的演示懸臂,這是傳統的自動纖維纏繞裝置無法産生的部件的形狀和尺寸的一個例子。

该部件包括由Lange + Ritter GmbH提供的单端连续玻璃粗纱SE1500-2400tex和由SGL Technologies GmbH提供的SIGRAFIL连续碳纤维丝束CT50-4.0 / 240-E100。纤维用EPIKOTE MGS LR 135环氧树脂预浸渍,该树脂用EPIKURE MGS LH 138固化剂配制,由Hexion提供。

該部件使用預浸漬纖維和浸漬在纖維浸漬樹脂浴中的幹纖維制造。該項目所展示的工藝最適合生産垂直支撐之間具有長跨度的水平結構,例如舞廳屋頂或人行天橋,其中自重的減少可以預期顯著減少所用材料和成本。

材料供應商、3D打印制造商和打印設備供應商報告稱,來自無人機制造商的業務正在增長,他們正在開發新国产福利不卡在线视频和新能力,以服務于這一業務。

Clearwater Composites LLC国产福利不卡在线视频一系列碳纤维管材和板材,供应给工业设备、機器人、航空航天、体育用品和無人機制造商。各种形状的管子主要通过在心轴上滚动包裹单向碳纤维环氧预浸料制成,在250℃下固化。这些管由标准、高和超高模量等级制成,后者由沥青纤维制成。该公司国产福利不卡在线视频各种厚度的板材,厚度可达1.2米×2.4米,采用类似材料通过压缩成型或真空灌注。其無人機客户通常是北美公司,为高端工业和航空航天应用设计和制造無人機。

無人機設計和制造商Clearwater爲其客戶之一。他們正爲其提供定制的錐形薄壁管(0.03英寸/0.76毫米),由東麗工業公司高模M46J碳纖維制成。這種管子,沒有說明的新應用,一端爲圓形,然後在另一端逐漸變細到橢圓形。

Stratus Aeronautics国产福利不卡在线视频的無人機主要用于在科学研究、采矿、军事和其他应用中进行磁性和航空测量。这些测量用無人機设计和装备了固定翼和多旋翼配置,与有人驾驶飞机相比具有显着的成本优势。

該公司的固定翼無人機是一種小型、輕型的飛機,由100毫升、兩沖程的燃氣發動機提供動力,能夠執行長時間(>10小時)任務——有人駕駛飛機是不可能完成的。

這架飛機的特點是采用碳纖維預壓成型的機身,機翼由帶有泡沫芯的半單片機身和無芯的單片機身組成。

該公司首席技術官柯蒂斯?馬倫表示,新型電動多旋翼無人機的設計和測試已基本完成。長度爲3米,重約15千克,除電子国产福利不卡在线视频外,完全由碳纖維複合材料制成。“底盤是一種自動對齊的單殼體結構,由CNC路由碳板制成。”馬倫說。根據局部載荷,不同纖維取向和模量的管狀碳包括結構的其余部分。

鑒于無人機技術的迅速發展,無人機制造商爲複合材料的添加制造提供了動力,這一點也不奇怪。無人機設計人員不僅使用大格式3D打印機完成最初構思的快速成型,而且,隨著這些工藝的發展,還提供工具和成品部件,以滿足無人機制造企業所需的快速周轉時間。

例如,Impossible Objects公司最近与Aurora Flight Sciences合作,采用基于複合材料的增材制造(CBAM)技术,用25.4毫米短切碳纤维增强的高密度聚乙烯(HDPE) 打印一个76×38毫米的后稳定装置。当时,这一部件被安装在一架正在开发的新飞机上,取代了由未加固尼龙制成的正在破损的部件。虽然添加剂制造技术经常被用于制造原型或测试部件,但Impossible Objects的首席执行长拉里?卡普兰说,该公司目前正致力于确保無人機零部件的几个商业化、大批量应用。卡普兰表示:“我们是唯一拥有增强PEEK材料的複合材料添加剂制造商。”他指出,耐高温材料对零部件和模具的需求量越来越大。

打印機供應商StalasysInc正在與材料供應商和航天及無人機制造商合作,正在開發和商業化3D打印模具技術,用于複合材料零件的成型。StalasyS複合解決方案高級總監蒂莫?西施尼普表示,該公司的熔融沈積成型(FDM)設備可以在兩到三天或更短的時間內生産大多數工具,這意味著客戶可以在不到一周的時間內成型零件。

Swift Engineering公司使用FDM和Ultem 1010制造用于無人機碳纤维增强环氧树脂螺旋桨叶片的压缩模具的匹配半模。356×102×51mm的工具需要30小时的构建时间,以手工研磨并用双组分环氧树脂密封,产生约0.4μm的表面光洁度Ra(粗糙度平均值)。

Rock West複合材料正在与Stratasys合作,通过成型测试部件来验证一些工具设计。该公司业务发展总监艾德里安?科贝特指出,無人機国产福利不卡在线视频正在将更多3D打印部件纳入其国产福利不卡在线视频,3D打印工具与环氧或其他工具材料的加工工具相比,具有明显的优势。他说:“这让你可以尽可能快地打印出一个零件。”