展翅飞翔:复合材料时代的无人机

分类: 打印机驱动百科 发布时间:2019-02-12 13:21

无人机技术最初出现在国防应用领域并一直引领这一技术的发展。“全球鹰”作为世界上最为著名的高空长航时无人侦察机,由美国诺斯罗谱·格鲁门公司为美空军研制,由沃特(Vought)飞机工业公司生产。复合材料机翼长达35米,复合材料占结构重量的65%。“全球鹰”代表了目前高空长航时无人机发展的水平和趋势。

如今,无人机市场发生着迅速的变化。它已经大量在尖端工业、商业和消费者应用中找到用武之地。无人机也不再局限于地面上的人类控制,它还正在塑造自主技术的命运——如何使用它以及将走向何方。

复合材料在无人机上的应用前景之一,是作为持久、长时间的系统提供支持者,提供广域Wifi互联网接入。理想情况下,这种无人机将采用太阳能供电,能够为数平方英里的陆地区域提供服务,并且可以连续数周不间断地上网。有两个项目曾追求这一技术,尽管效果喜忧参半,但迄今为止还是很有希望的。

一个由社交媒体巨头Facebook开发,另一个是麻省理工学院的产品。二者都制造并试飞行了原型机,目标是用全新的设计来实现前所未有的无人机飞行时间,这种设计必然希望最大限度地利用先进复合材料的优势。

Facebook的Aquila是一种全碳纤维复合材料、太阳能驱动、四螺旋桨无人机,已经进行了两次试飞。2016年,它在305米以下飞行了96分钟,而去年,它飞行了约106分钟,达到了914.4米的高度。尽管Facebook后来放弃了网络无人机计划Aquila。无论如何,其在网络无人机上的尝试仍然给业界带来不少启发。

无人机的设计以滑翔机为模型,具有通常很薄的空气动力学轮廓。第一个全尺寸版本在过去的一年中测试飞行,最大高度为122米,机翼厚度为42.4毫米,锥度为20.8毫米,总空载重量仅为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。

为了制造装有汽油发动机的机身和油箱,该团队使用了一个简单的圆柱形混凝土模具,应用了两层单向织物,一个在90°和一个45°处到管的内径;然后使用一个环形真空袋,放置在管道的内部和周围,以真空注入织物,外层的层压板放置在管道的内壁。为了制造包含通信电子设备的前锥,外部圆锥形模具由泡沫加工成两半。将单层0°Kevlar织物铺在半模(已经粘合在一起)上并真空灌注。

无人机正在工业领域产生影响,在那里,包括工作人员和机器人在内的传统机械都面临着更加困难和昂贵的问题。

一个潜在的巨大未来的应用是老化风力叶片的安全检查。装备有用于军事监视的摄像机的无人机是该技术最早应用之一。如今,无人驾驶飞机配备了专用摄像机,并通过极其复杂的软件自主操作,可以在短短15分钟内检查巨型风力涡轮机的转子叶片(人工检查可能需要一整天),并通过门户网站提供损坏的视觉证据。视察人员可以在更舒适的环境中观看屏幕。

德国斯图加特大学建筑结构与结构设计研究所和计算设计研究所的一组研究人员展示了一种新颖而巧妙的方法,利用无人机与工业机器人结合,通过纤维缠绕工艺制造出大跨度的复合结构。所谓协同缠绕,是指使用两个静止的工业机器人和一个定制的轻型无人机或无人机“中间人”,在机器人之间的间隙空间制造大跨度结构。

简单来说,制造布局建立了有利的分工,利用了两台机器的优势——机器人用于精确地将树脂浸渍的粗纱放置在绕线架上,而无人机将光纤从线轴移动到每个机器人臂的伸展范围,从而避免了机器人末端执行器的到达范围对部件尺寸的限制。到目前为止,制造超出机器人可及范围的大型部件的主要替代方法是通过模块化来制造部件,这一过程并不理想,尤其是如果所制造的结构是承重的。

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超级机器人组成,装备有钢制加长件,一个液压夹具来抓住无人机的缠绕效应器,以及一个红外摄像机用来同步机器人与无人机的位置。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无人机或机器人时,提供对纤维张力的控制。无人机的尺寸约为92×92×31厘米,飞行器的有效载荷约为2公斤。

为了缠绕单个锚定点,机器人臂围绕着缠绕框架移动,浸渍的纤维高到层压板的上方。当到达锚点时,机器人绕着它转动光纤,然后将卷绕器返回到无人机正在等待的着陆平台上。在确认交换之后,张力机构切换到低张力,并且无人机将未卷绕光纤运送到下一个机器人平台。研究人员使用机器人——无人机单元来制造一个12米长的演示悬臂,这是传统的自动纤维缠绕装置无法产生的部件的形状和尺寸的一个例子。

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。

该部件使用预浸渍纤维和浸渍在纤维浸渍树脂浴中的干纤维制造。该项目所展示的工艺最适合生产垂直支撑之间具有长跨度的水平结构,例如舞厅屋顶或人行天桥,其中自重的减少可以预期显着减少所用材料和成本。

材料供应商、3D打印制造商和打印设备供应商报告称,来自无人机制造商的业务正在增长,他们正在开发新产品和新能力,以服务于这一业务。

Clearwater Composites LLC生产一系列碳纤维管材和板材,供应给工业设备、机器人、航空航天、体育用品和无人机制造商。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。该公司生产各种厚度的板材,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。其无人机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无人机。

无人机设计和制造商Clearwater为其客户之一。他们正为其提供定制的锥形薄壁管(0.03英寸/0.76毫米),由东丽工业公司高模M46J碳纤维制成。这种管子,没有说明的新应用,一端为圆形,然后在另一端逐渐变细到椭圆形。

Stratus Aeronautics生产的无人机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。这些测量用无人机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。

该公司的固定翼无人机是一种小型、轻型的飞机,由100毫升、两冲程的燃气发动机提供动力,能够执行长时间(>10小时)任务——有人驾驶飞机是不可能完成的。

这架飞机的特点是采用碳纤维预压成型的机身,机翼由带有泡沫芯的半单片机身和无芯的单片机身组成。

该公司首席技术官柯蒂斯•马伦表示,新型电动多旋翼无人机的设计和测试已基本完成。长度为3米,重约15千克,除电子产品外,完全由碳纤维复合材料制成。“底盘是一种自动对齐的单壳体结构,由CNC路由碳板制成。”马伦说。根据局部载荷,不同纤维取向和模量的管状碳包括结构的其余部分。

鉴于无人机技术的迅速发展,无人机制造商为复合材料的添加制造提供了动力,这一点也不奇怪。无人机设计人员不仅使用大格式3D打印机完成最初构思的快速成型,而且,随着这些工艺的发展,还提供工具和成品部件,以满足无人机制造企业所需的快速周转时间。

例如,Impossible Objects公司最近与Aurora Flight Sciences合作,采用基于复合材料的增材制造(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无人机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材料的复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。

打印机供应商StalasysInc正在与材料供应商和航天及无人机制造商合作,正在开发和商业化3D打印模具技术,用于复合材料零件的成型。StalasyS复合解决方案高级总监蒂莫•西施尼普表示,该公司的熔融沉积成型(FDM)设备可以在两到三天或更短的时间内生产大多数工具,这意味着客户可以在不到一周的时间内成型零件。

Swift Engineering公司使用FDM和Ultem 1010制造用于无人机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复合材料正在与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,无人机行业正在将更多3D打印部件纳入其产品,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。”