UAV Komposit Revolusi Teknologi Drone
Perubahan, lebih baik lagi, perubahan cepat. Ini paling baik menggambarkan keadaan saat ini desain dan manufaktur kendaraan udara tak bermasin (UAV). Satu perubahan besar adalah terminologi. UAV sekarang disebut drone, dan teknologi drone, yang pada satu waktu hampir secara eksklusif terbatas pada misi militer, menolak definisi yang terbatas dan menemukan penggunaan dalam banyak aplikasi industri, komersial dan konsumen canggih. Tidak lagi terbatas pada kontrol oleh manusia di tanah, drone juga membentuk nasib teknologi otonom — apa yang akan menjadi dan bagaimana dapat digunakan.
Pada radar: Drone untuk komunikasi, otomasi
Satu janji besar penggunaan komposit dalam drone adalah sebagai pendorong untuk sistem berkelanjutan, durasi panjang yang menyediakan akses Internet Wifi luas area. Idealnya, drone seperti itu akan didorong oleh surya dan dapat melayani daratan banyak mil persegi dengan akses Internet yang tidak terganggu selama berpekan-minggu. Ada setidaknya dua program yang mengejar teknologi ini, dan hasil hingga saat ini menjanjikan, jika bercampur.
Salah satu adalah karya raksasa media sosial Facebook (Menlo Park, CA, AS), dan yang lainnya, produk dari Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, MA, AS). Setiap telah membangun dan terbang prototipe dan bertujuan untuk mencapai durasi penerbangan UAV yang tak tertandingi dengan desain yang sangat baru, yang, dengan kekakuan, berharap memaksimalkan keuntungan komposit canggih.
Dalam pengembangan sejak 2014, Aquila Facebook (Fig. 1), drone solar-powered empat propeler yang seluruhnya terbuat dari komposit serat karbon, telah diuji terbang dua kali. Pada 2016, ia terbang selama 96 menit di bawah 305m, dan tahun lalu, ia terbang selama sekitar 106 menit, mencapai ketinggian 914,4m. Aquila dimaksudkan untuk hal-hal besar: sasaran pelanggan Aquila adalah beberapa miliar orang di seluruh dunia tanpa akses online yang andal. Dengan skala geografis yang besar, drone harus mampu penerbangan yang sangat lama dan tidak terganggu, dan itu, gilirannya, memiliki konsekuensi yang dalam pada performa penerbangan dan parameter desain Aquila. Facebook harus membangun dan meluncurkan pesawat tanpa pilot yang mampu penerbangan berkelanjutan selama bulan-bulan dan pada ketinggian sangat tinggi — 60.000-90.000 kaki (18.290-27.430m). Pada ketinggian ini, drone dapat memberikan cakupan WiFi sekitar 60 mil persegi. Saat teknologi sempurna, CEO Facebook Mark Zuckerberg telah menyatakan niatnya untuk membangun armada drone.
Meskipun ini berpotensi berita baik untuk industri komposit, Facebook telah merilis sedikit detail teknis spesifik tentang Aquila atau bahan serat karbon dan laminat yang digunakan untuk membangunnya. CW telah mengetahui bahwa versi yang diuji terbang memiliki "sayap lebih lebar dari Boeing 737," yang meletakkan dalam kisaran 110 kaki (±34m). Dengan melepaskan beban tambahan dan drag landing gear konvensional, Aquila juga dilengkapi dengan "landing pad" Kevlar yang ditempelkan di bawah pod motor, satu alasan drone ini hanya beratnya sekitar 1.000 lb (454 kg), dengan setengahnya dari massa tersebut diisi oleh baterai. Zuckerberg, namun, telah membuatnya jelas bahwa drone perlu dibuat lebih ringan lagi.
Saat bepergian menghadap angin, drone terbang, dengan desain, pada kecepatan darat hanya 10-15 mph, yang menjaganya terpusat di atas area sasaran yang dituju untuk menerima sinyal. Sistem komunikasi akan menggunakan laser untuk mentransfer data, yang sekitar 10 kali lebih cepat dari kabel optik darat. Pada versi kedua, yang paling baru terbang, bahan pelapisan yang tidak ditentukan yang diterapkan pada sayap menciptakan "finish yang lebih halus" dan dikreditkan untuk menggandakan laju kliknya menjadi 54,9m/min, dibandingkan dengan laju klik drone pertama. Itu dikatakan, masih belum terlihat apakah tujuan durasi penerbangan ambisius Aquila dapat terpenuhi hanya dengan tenaga surya. Tantangan utama proyek dalam fase berikutnya, menurut posting di situs Facebook Aquila, adalah efisiensi panel surya, penyimpanan baterai dan mencapai paradigma biaya yang dapat diterima untuk operasi. Facebook mengatakan niatnya untuk memperluas program uji untuk mencakup drone dengan "form factor, ukuran dan bobot" yang berbeda, dan terbang ke ketinggian yang lebih tinggi dalam ronde uji penerbangan berikutnya.
Sementara itu, tim insinyur MIT telah merancang, membangun dan menguji UAV dengan sayap 24 kaki (7,32m), terbuat sepenuhnya dari komposit yang dijamin serat karbon dan Kevlar (Fig. 2). Tujuan proyek pengembangan UAV ini, yang disebut Jungle Hawk Owl dan didanai oleh Angkatan Udara Amerika Serikat (Gateways Branch, AFLCMC/HNAG, Hanscom Air Force Base, Bedford, MA, AS), sedikit lebih rendah dari untuk Aquila Facebook. Tujuan adalah untuk membangun drone yang mampu terbang selama lima hari atau lebih, di lintang geografis tinggi dan rendah, di semua musim, pada ketinggian sekitar 4.572m. Drone seperti itu akan dirancang untuk berfungsi sebagai hub komunikasi, menyediakan koneksi Internet/telepon sementara di atas area luas dalam kejadian kegagalan listrik atau layanan luas skala.
Desain drone didasari pada glider, dengan profil aerodinamis yang tipis biasanya. Versi skala penuh pertama, yang diuji terbang tahun lalu pada ketinggian maksimum 122m, memiliki ketebalan sayap 42,4 mm menyempit menjadi 20,8 mm, dan total bobot kosong hanya 12,7 kg. Setelah penyesuaian kecil pada pesawat dan sistem peluncuran atap mobil selesai, uji penerbangan ketinggian tinggi dijadwalkan untuk musim panas ini, dengan drone membawa beban penuh peralatan komunikasi dan bahan bakar, yang beratnya hingga 45,4 kg.
John Hansman, profesor aeronautika dan astronautika di MIT dan salah satu staf yang menyelidiki penelitian mahasiswa, kolaborasi antara MIT dan MIT Lincoln Laboratory (Lexington, MA, AS), melaporkan bahwa sayap terdiri dari inti sandwich yang dicetak dalam proses dua tahap. Untuk mencapai presisi aerodinamis yang diperlukan, kulit permukaan atas sayap dicetak secara terpisah, melalui vacuum infusion, dari satu lapis kain serat karbon unidirectional yang diorientasi 90° terhadap panjang sayap. Untuk membuat kulit sayap bawah, spar caps dengan ketebalan bervariasi dicetak dari kain unidirectional dan ditempatkan dalam cetakan. Styrofoam kemudian ditempatkan di sekitar dan di antara spar caps, dan kulit bawah di-vacuum bagged di tempat terhadap konstruksi. Kulit atas kemudian dipasang pada bawah dan dibungkus dengan 12K tow. Semua kain diinfus dengan West Systems 105, epoksi viskositas rendah yang disuplai oleh Gougeon Bros. Inc. (Bay City, MI, AS). Semua cetakan CNC-machined dari polyurethane foam RenShape 440, yang disediakan oleh Freeman Manufacturing & Supply Co. (Avon, OH, AS).
Untuk membuat fuselage, yang menempatkan mesin bensinnya (lihat Side Story "Drones: MIT software casts doubt on solar-powered UAVs") dan tangki bahan bakar, tim menggunakan cetakan silinder beton sederhana, menerapkan dua lapis kain unidirectional, satu pada 90° dan satu pada 45°, pada diameter dalam tabung, lalu menggunakan toroidal vacuum bag yang diposisikan melalui dan di sekitar tabung, untuk vacuum infuse kain, dengan lapisan luar laminat diposisikan terhadap dinding dalam tabung. Untuk memproduksi nosecone, yang berisi elektronik komunikasi, cetakan berbentuk kerucut eksternal dicetak dalam dua bagian dari foam. Satu lapis kain Kevlar 0° diletupkan pada bagian cetakan (yang telah diikat bersama) dan vacuum infused.
Drone — pemain baru di industri
Drone memberikan dampak di bidang industri, terbang ke tempat yang lebih sulit dan mahal untuk pekerja dan mesin konvensional, termasuk robot, untuk pergi.
Satu aplikasi dengan potensi masa depan yang besar adalah inspeksi keselamatan sayap angin yang tua. UAV yang dilengkapi kamera untuk pengawasan militer adalah salah satu penggunaan paling awal dari teknologi ini. Saat ini, drone yang dilengkapi kamera khusus, dan dioperasikan otonom oleh perangkat lunak yang sangat canggih, dapat memeriksa daun rotor turbin angin raksasa dalam waktu singkat 15 menit, (inspeksi oleh manusia dapat mengambil sehari), dan mengirimkan bukti visual kerusakan ke Web portal untuk dilihat oleh pengawas di lingkungan yang lebih nyaman. CW membahas fenomena bisnis drone yang tumbuh ini dalam edisi Mei (lihat "Service & repair: Optimizing wind power's grid impact").
Sejumlah peneliti di Institut untuk Struktur Bangunan dan Desain Struktural dan Institut untuk Desain Komputasional Universitas Stuttgart (Stuttgart, Jerman) telah menunjukkan metode baru dan cerdas untuk menggunakan drone dalam kombinasi dengan robot industri untuk memproduksi struktur komposit jangkauan panjang melalui proses fiber-winding. Collaborative winding, seperti yang disebut, melibatkan penggunaan dua robot industri stasioner dan drone ringan khusus atau UAV "perantara" untuk memproduksi struktur jangkauan panjang di ruang intisari antara robot (Fig. 3). Dalam istilah sederhana, tata letak pembuatan menetapkan pembagian tugas yang menguntungkan yang memanfaatkan kekuatan kedua mesin — robot digunakan untuk menempatkan roving yang telah diimpregasi dengan presisi pada bingkai gulungan, sementara drone memindahkan serat dari gulungan ke setiap lengan robot, sehingga mengatasi keterbatasan yang diimposed oleh jangkauan end-effector robot. Hingga sekarang, alternatif utama untuk memproduksi bagian besar yang melebihi jangkauan robot adalah dengan membangun bagian dengan modularisasi, proses yang kurang dari ideal, terutama jika struktur yang diproduksi adalah beban beban.
Proyek ini adalah karya delapan peneliti di Universitas dan diringkas dalam makalah "Multi-Machine Fabrication," yang diterbitkan dalam edisi November 2017 dari Acadia, majalah arsitektur interior dan desain spasial. Workcell terdiri dari dua robot 6-sumbu KUKA (Augsburg, Jerman) KR 210 R3100 Ultra, dilengkapi dengan ekstensi baja, gripper hidraulik untuk menangkap winding effector dari UAV, dan kamera inframerah yang digunakan untuk menyinkronkan lokasi robot dengan UAV. Mekanisme tensi khusus, berdasarkan perangkat tensi yang digunakan dalam aplikasi ekstrusi dan rolling, menyediakan kontrol atas tensi serat saat diteruskan dari sumber serat ke UAV atau robot.
James Solly, salah satu peneliti proyek, mengatakan desain akhir drone khusus berasal dari empat prototipe sebelumnya, dalam proses desain yang memungkinkan tim untuk mengoptimalkan bobot drone dan menstabilkan perilaku penerbangannya. Bagian badan drone dipotong dari karbon plate standar, sementara lengan pesawat terbuat dari tabung karbon 20-mm. Bagian lain, yang lebih kecil, seperti konektor dan spacer, dicetak 3D dari polylactic acid (PLA). Dimensi drone sekitar 92 by 92 by 31 cm dan kendaraan dapat membawa beban sekitar 2 kg.
Untuk menggulung satu titik ancor, lengan robot bepergian di sekitar bingkai gulungan dengan serat yang telah diimpregasi diangkat di atas laminat. Setelah mencapai titik ancor, robot menggulung serat di sekitarnya, kemudian mengembalikan winding effector ke platform landing di mana UAV menunggu. Setelah pertukaran dikonfirmasi, mekanisme tensi beralih ke tensi rendah, dan drone membawa serat yang sedang gulung ke platform robotik berikutnya. Peneliti menggunakan sel robot-drone untuk memproduksi demonstrator cantilever panjang 12m sebagai contoh bentuk dan ukuran bagian yang tidak dapat diproduksi oleh setup fiber-winding otomatis tradisional (Fig. 4). Bagian terdiri dari roving kaca kontinu single-end, SE1500-2400tex yang disumbangkan oleh Lange+Ritter GmbH (Gerlingen, Jerman) dan tow serat karbon kontinu SIGRAFIL, CT50-4.0/240-E100, yang disumbangkan oleh SGL Technologies GmbH (Wiesbaden, Jerman). Serat telah di-pre-impregnate dengan epoksi EPIKOTE MGS LR 135 yang diformulasikan dengan agen kuring EPIKURE MGS LH 138, disuplai oleh Hexion (Columbus, OH, AS). Bagian diproduksi menggunakan serat prepregged dan serat kering yang diimpregasi dalam mandi resin fiber-dip. Solly melaporkan bahwa proses yang ditunjukkan oleh proyek ini paling cocok untuk menghasilkan struktur horizontal dengan jangkauan panjang antara dukungan vertikal, seperti atap ruang ballroom atau jembatan pejalan kaki di mana pengurangan bobot sendiri dapat diharapkan menghasilkan pengurangan yang signifikan dalam bahan yang digunakan dan biaya. Dia melaporkan bahwa dia dan rekan-rekannya akan menguraikan proses dan aplikasinya dengan makalah yang akan dipresentasikan pada konferensi International Association for Shell and Spatial Structures (IASS 2018) mendatang, 16-20 Juli, Boston, MA, AS.
Dalam proyek terkait industri lainnya, tim peneliti di MIT Media Lab sedang menyelidiki penggunaan drone untuk menemukan dan mengidentifikasi inventaris gudang melalui tag radio frequency ID (RFID). Kebutuhan akan perbaikan dalam praktik akuntansi inventaris, yang disebabkan oleh peningkatan skala operasi gudang dan pengiriman modern, telah diakui selama beberapa waktu. Pindai manual melelahkan, mahal dan rentan terhadap kesalahan. Walmart, misalnya, melaporkan pada 2013 kehilangan lebih dari US$3 miliar pendapatan karena ketidakcocokan antara catatan inventaris dan stok aktualnya.
Tim MIT telah berhasil mengembangkan prototipe yang memungkinkan drone kecil dan ringan dengan rotor plastik fleksibel — jenis tunggal yang disetujui untuk penggunaan di dekat manusia — untuk membaca tag RFID dari puluhan meter sambil mengidentifikasi lokasi tag dengan kesalahan rata-rata sekitar 19 cm.
Drone Bebop-2 yang digunakan untuk studi diproduksi oleh Parrot Corp. (Paris, Prancis). Dirancang khusus untuk menunjukkan getaran rendah untuk aplikasi seperti fotografi, drone memiliki fuselage yang terbuat dari nylon Grilamid TR filled glass, disuplai oleh EMS-CHEMIE AG (Domat/Ems, Swiss). Setiap drone beratnya sekitar 500g dan dapat terbang otonom selama sekitar 25 menit. Meskipun disetujui untuk digunakan di sekitar orang, drone terlalu kecil untuk membawa pembaca RFID dengan jangkauan lebih dari beberapa sentimeter. Sebaliknya — ini adalah breakthrough penelitian utama — drone digunakan untuk mentransfer sinyal yang dikeluarkan oleh pembaca RFID standar ke tag RFID. Ketika sinyal mencapai tag, tag kemudian mengkodekan identitasnya pada sinyal sebelum mengirimkannya kembali ke drone. Drone meneruskan sinyal ke pembaca, yang mendekode identitasnya, dan sehingga barang dan lokasi barang. Tim saat ini bekerja untuk meningkatkan presisi mekanisme lokasi pada jarak yang lebih jauh, serta cara untuk meningkatkan kecepatan dan skalabilitas proses.
Inovasi mendorong aplikasi drone baru
Pemasok bahan, produsen cetak 3D kontrak, dan pemasok peralatan cetak melaporkan bisnis yang tumbuh dari produsen drone, dan mengembangkan produk dan kemampuan baru untuk melayani bisnis ini.
Clearwater Composites LLC (Duluth, MN, AS) menghasilkan garis tabung dan plate serat karbon yang disuplai kepada produsen peralatan industri, robotika, penerbangan, barang olahraga dan UAV. Tabung, dalam berbagai bentuk, terutama dibuat dengan roll-wrapping unidirectional carbon fiber epoxy prepreg pada mandrel, dengan kuring pada 250°C. Tabung dibuat dalam grade modulus standar, tinggi dan ultra-tinggi, yang terakhir dibuat dari fiber pitch. Perusahaan memproduksi plate dalam rentang ketebalan, dalam lembar hingga 1,2m by 2,4m, dari bahan serupa melalui compression molding atau vacuum infusion. Presiden Jeff Engbrecht mengatakan pelanggan UAV mereka biasanya adalah perusahaan berbasis Amerika Utara yang merancang dan membangun UAV untuk aplikasi industri dan penerbangan kelas atas.
Clearwater, katanya, menyuplai salah satu pelanggan, desainer dan produsen UAV/drone, dengan tabung custom-tapered, dinding tipis (0,03-inc/0,76-mm), terbuat dari serat karbon M46J high-modulus Toray Industries (Tokyo, Jepang). Tabung, untuk aplikasi baru yang tidak ditentukan, bulat di satu ujung, kemudian menyempit menjadi bentuk oval di ujung lainnya.
Stratus Aeronautics (Burnaby, BC, Kanada) memproduksi drone terutama untuk melakukan survei magnetik dan udara dalam penelitian ilmiah, pertambangan, militer dan aplikasi lain. Dirancang dan dibangun dalam konfigurasi fixed-wing dan multi-rotor, drone survei ini memberikan keuntungan biaya yang signifikan dibandingkan pesawat bermasin.
Fixed-wing Venturer UAV perusahaan (Fig. 5) adalah pesawat kecil dan ringan, didorong oleh mesin gas dua-tak 100-cc dan mampu misi durasi panjang (>10 jam) — tidak mungkin dengan pesawat bermasin.
Pesawat memiliki rangka yang dicetak dari prepreg serat karbon, sayap yang terdiri dari semi-monocoque dengan foam cores, dan fuselage monokoque tanpa core.
Curtis Mullen, CTO perusahaan, mengatakan desain dan pengujian hampir selesai untuk UAV multi-rotor listrik baru. Dengan panjang 3m dan berat sekitar 15 kg, ini, kecuali elektronik, terbuat sepenuhnya dari komposit serat karbon. "Chassis adalah struktur monokoque self-aligning terbuat dari plate carbon CNC-routed," kata Mullen. Tabung karbon dengan orientasi fiber dan modulus yang bervariasi, tergantung pada beban lokal, terdiri dari sisa struktur. Pada waktu penutupan Juli CW, perusahaan berencana untuk menyelesaikan konstruksi dan uji penerbangan pada periode Juni/Juli dan memperkenalkan Venturer ke pasar lebih akhir tahun 2018.
Drone selaras dengan cetak 3D
Dengan perkembangan cepat teknologi drone, tidak heran jika pembuat drone telah memberikan dorongan untuk manufaktur additif komposit. Desainer drone tidak hanya menggunakan printer 3D format besar untuk prototyping cepat yang merupakan tujuan awal dari proses ini, tetapi juga, seiring perkembangan proses tersebut, untuk menyediakan alat dan bagian akhir juga, untuk memenuhi waktu turnaround yang cepat yang diperlukan oleh OEM drone.
Impossible Objects (Northbrook, IL), misalnya, recently bekerjasama dengan Aurora Flight Sciences (Manassas, VA) untuk mencetak 3D mount stabilizer belakang 76-by-38-mm dari polyethylene (HDPE) high-density yang dijamin 25,4-mm chopped carbon fibers, menggunakan teknologi Composite-Based Additive Manufacturing (CBAM) mereka. Bagian ini dipasang pada pesawat baru yang sedang dikembangkan pada saat itu, menggantikan bagian dari nylon yang tidak dijamin yang patah. Meskipun teknologi manufaktur additif sering digunakan untuk membuat bagian prototipe atau tes, CEO Impossible Objects Larry Kaplan mengatakan perusahaan saat ini bekerja untuk mengamankan beberapa aplikasi komersial, volume lebih tinggi untuk bagian dalam drone. Detail aplikasi belum dapat dijelaskan, namun Kaplan melaporkan bahwa mereka akan melibatkan bahan baru tahan suhu tinggi, serat karbon/nylon dan serat karbon/PEEK yang telah dikembangkan perusahaan. "Kami adalah produsen manufaktur additif komposit tunggal dengan bahan PEEK yang dijamin," klaim Kaplan, mencatat bahwa bahan dengan resistensi suhu tinggi semakin banyak diminta untuk bagian dan cetakan.
Pemasok printer Stratasys Inc. (Eden Prairie, MN, AS) bekerja sama dengan pemasok bahan dan pembuat penerbangan/drone dalam pengembangan dan komersialisasi berkelanjutan dari teknologi tooling cetak 3D untuk pencetakan bagian komposit. Timothy Schniepp, direktur senior, composite solutions di Stratasys, mengatakan mesin fused deposition modeling (FDM) perusahaan dapat menghasilkan sebagian besar alat dalam dua hingga tiga hari atau lebih cepat, yang berarti pelanggan dapat mencetak bagian dalam kurang dari seminggu. Bahan suhu tinggi perusahaan, Ultem 1010, polyetherimide (PEI) yang diproduksi oleh SABIC (Pittsfield, MA, AS), adalah bahan umum, tanpa filler yang cocok untuk manufaktur semua alat lay-up, termasuk alat yang dikurasi hingga suhu 300°F.
Swift Engineering Inc. (San Clemente, CA, AS) menggunakan FDM dan Ultem 1010 untuk memproduksi matched halves dari compression mold untuk propeller blade UAV yang dijamin serat karbon epoksi. Alat 356-by-102-by-51-mm membutuhkan waktu pembuatan 30 jam dan diabrasi manual serta ditempatkan dengan epoksi dua bagian, menghasilkan surface finish Ra (roughness average) sekitar 0,4 mikrometer.
Rock West Composites (West Jordan, UT, AS) bekerja sama dengan Stratasys untuk memvalidasi beberapa desain alat dengan mencetak bagian tes. Adrian Corbett, direktur pengembangan bisnis di perusahaan, mencatat bahwa industri drone semakin mengintegrasikan bagian cetak 3D ke dalam produk mereka, dan alat cetak 3D menawarkan keuntungan yang jelas dibandingkan memesin alat dari epoksi atau bahan cetakan lain. "Ini memungkinkan Anda untuk membuat bagian secepat Anda dapat mencetak alat," katanya.
Singkatnya, era drone yang melimpah telah muncul dan hadir. Untungnya, untuk banyak di industri komposit, perubahan, dalam hal ini, baik.
