Drone:UAV komposit terbang
Perubahan, lebih baik lagi, perubahan cepat. Ini merupakan ciri terbaik dari desain dan manufaktur kendaraan udara tak berawak (UAV) saat ini. Salah satu perubahan besar adalah terminologi. UAV sekarang menjadi drone , dan teknologi drone, pada satu waktu, hampir secara eksklusif terbatas pada misi militer, menentang definisi yang membatasi dan menemukan penggunaan di sejumlah aplikasi industri, komersial, dan konsumen mutakhir. Tidak lagi terbatas pada kontrol oleh manusia di lapangan, drone juga membentuk nasib teknologi otonom — seperti apa dan bagaimana teknologi itu dapat digunakan.
Dalam radar:Drone untuk komunikasi, otomatisasi
Salah satu janji besar penggunaan komposit dalam drone adalah sebagai pendukung untuk sistem jangka panjang yang persisten yang menyediakan akses Internet Wifi area luas. Idealnya, drone semacam itu akan bertenaga surya dan mampu melayani area daratan bermil-mil persegi dengan akses Internet tanpa gangguan selama berminggu-minggu. Setidaknya ada dua program yang mengejar teknologi ini, dan sejauh ini hasilnya menjanjikan, jika dicampur.
Salah satunya adalah karya raksasa media sosial Facebook (Menlo Park, CA, AS), dan yang lainnya, produk dari Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, MA, AS). Masing-masing telah membangun dan menerbangkan prototipe dan bertujuan untuk mencapai durasi penerbangan UAV yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan desain baru yang radikal, yang, karena kebutuhan, berharap dapat memaksimalkan keunggulan komposit canggih.
Dalam pengembangan sejak 2014, Aquila Facebook Facebook (Gbr. 1), sebuah komposit serat karbon semua, bertenaga surya, drone empat baling-baling, telah diuji terbang dua kali. Pada tahun 2016, ia terbang selama 96 menit di bawah 305m, dan tahun lalu, ia terbang selama sekitar 106 menit, mencapai ketinggian 914,4m. Aquila ditujukan untuk hal-hal besar:Aquila's target basis pelanggan yang dinyatakan adalah beberapa miliar orang di seluruh dunia tanpa akses online yang andal. Mengingat skala geografis yang sangat besar, drone harus mampu terbang sangat lama tanpa gangguan, dan itu, pada gilirannya, memiliki konsekuensi besar bagi Aquila kinerja penerbangan dan parameter desain. Facebook harus membuat dan meluncurkan pesawat tanpa pilot yang mampu terbang terus menerus selama bulan dan pada ketinggian yang sangat tinggi — 60.000-90.000 kaki (18.290-27.430m). Pada ketinggian ini, drone dapat menyediakan jangkauan WiFi lebih dari 60 mil persegi. Ketika teknologi ini disempurnakan, CEO Facebook Mark Zuckerberg telah menyatakan bahwa dia berniat untuk membangun armada drone.
Meskipun ini berpotensi menjadi kabar baik bagi industri komposit, Facebook telah merilis sedikit detail teknis khusus tentang Aquila atau bahan serat karbon dan laminasi yang digunakan untuk membuatnya. CW telah mengetahui bahwa versi uji terbang memiliki "lebar sayap lebih lebar dari Boeing 737," yang menempatkannya dalam kisaran 110 kaki (± 34m). Tanpa bobot ekstra dan tarikan roda pendarat konvensional, Aquila juga dilengkapi dengan “landing pad” Kevlar yang direkatkan ke bagian bawah pod motor, salah satu alasannya adalah bobotnya yang hanya sekitar 1.000 lb (454 kg), dengan kira-kira setengah dari massa tersebut berasal dari baterai. Zuckerberg, bagaimanapun, telah menjelaskan bahwa drone perlu dibuat lebih ringan.
Saat bepergian melawan angin, drone terbang, dengan desain, pada kecepatan darat hanya 10-15 mph, yang membuatnya tetap terpusat di atas area target yang dimaksudkan untuk menerima sinyal. Sistem komunikasi akan menggunakan laser untuk mentransfer data, yang sekitar 10 kali lebih cepat dari serat optik berbasis darat. Pada drone kedua, versi yang paling baru diterbangkan, bahan pelapis yang tidak ditentukan yang diterapkan pada sayap menciptakan "hasil akhir yang lebih halus" dan dikreditkan karena menggandakan kecepatan pendakiannya menjadi 54,9 m/mnt, dibandingkan dengan tingkat pendakian drone pertama. Meskipun demikian, masih harus dilihat apakah Aquila tujuan durasi penerbangan yang ambisius dapat dipenuhi hanya dengan menggunakan tenaga surya. Tantangan utama proyek di fase berikutnya, menurut postingan di Aquila Situs Facebook, adalah efisiensi panel surya, penyimpanan baterai, dan mencapai paradigma biaya yang dapat diterima untuk pengoperasian. Facebook mengatakan akan memperluas program pengujian untuk memasukkan drone dengan "faktor bentuk, ukuran, dan berat" yang berbeda, dan terbang ke ketinggian yang lebih tinggi pada putaran uji penerbangan berikutnya.
Sementara itu, tim insinyur MIT telah merancang, membangun, dan menguji UAV dengan lebar sayap 24 kaki (7,32m), dibuat seluruhnya dari komposit yang diperkuat dengan serat karbon dan Kevlar (Gbr. 2), Tujuan dari proyek pengembangan UAV, dijuluki Jungle Hawk Owl dan didanai oleh Angkatan Udara AS (Gateways Branch, AFLCMC/HNAG, Hanscom Air Force Base, Bedford, MA, US), sedikit lebih sederhana daripada Aquila Facebook . Tujuannya adalah untuk membangun drone yang mampu bertahan di ketinggian selama lima hari atau lebih, di lintang geografis tinggi dan rendah, di semua musim, pada ketinggian sekitar 4.572m. Drone semacam itu akan dirancang untuk berfungsi sebagai pusat komunikasi, menyediakan koneksi Internet/telepon sementara di area yang luas jika terjadi pemadaman listrik atau layanan skala besar.
Desain drone dimodelkan pada glider, dengan profil aerodinamis yang biasanya tipis. Versi skala penuh pertama, tes yang diterbangkan tahun lalu pada ketinggian maksimum 122m, memiliki ketebalan sayap 42,4 mm yang meruncing menjadi 20,8 mm, dan total berat kosong hanya 12,7 kg. Setelah penyesuaian kecil pada pesawat dan sistem peluncuran atap otomotifnya selesai, tes penerbangan ketinggian tinggi dijadwalkan untuk musim panas ini, dengan drone yang membawa muatan penuh peralatan komunikasi dan bahan bakar, dengan berat hingga 45,4 kg.
John Hansman, profesor aeronautika dan astronotika di MIT dan salah satu staf yang mengawasi penelitian mahasiswa, sebuah kolaborasi antara MIT dan MIT Lincoln Laboratory (Lexington, MA, AS), melaporkan bahwa sayap terdiri dari sandwich inti yang dibentuk dalam dua- proses langkah. Untuk mencapai presisi aerodinamis yang diperlukan, kulit permukaan atas sayap dicetak secara terpisah, melalui infus vakum, dari satu lapis kain serat karbon searah berorientasi 90° ke panjang lebar sayap. Untuk membuat kulit sayap bagian bawah, tutup tiang dengan berbagai ketebalan dicetak dari kain searah dan ditempatkan di dalam cetakan. Styrofoam kemudian ditempatkan di sekitar dan di antara tutup tiang, dan kulit bagian bawah dikantongi vakum di tempat melawan konstruksi. Kulit bagian atas kemudian dipasang ke bagian bawah dan dibungkus dengan derek 12K. Semua kain diresapi dengan West Systems 105, epoksi viskositas rendah yang dipasok oleh Gougeon Bros. Inc. (Bay City, MI, US). Semua cetakan dibuat dengan mesin CNC dari busa poliuretan RenShape 440, yang disediakan oleh Freeman Manufacturing &Supply Co. (Avon, OH, US).
Untuk membuat badan pesawat, yang menampung mesin bensinnya (lihat Side Story “Drone:Perangkat lunak MIT meragukan UAV bertenaga surya”) dan tangki bahan bakar, tim menggunakan cetakan beton silinder sederhana, menerapkan dua lapis kain searah, satu pada 90 ° dan satu pada 45 °, dengan diameter bagian dalam tabung, kemudian menggunakan kantong vakum toroidal yang ditempatkan melalui dan di sekitar tabung, untuk menyedot kain, dengan lapisan luar laminasi diposisikan pada dinding bagian dalam dari tabung. Untuk membuat nosecone, yang berisi elektronik komunikasi, cetakan berbentuk kerucut eksternal dikerjakan dalam dua bagian dari busa. Satu lapisan kain Kevlar 0 ° diletakkan di atas bagian cetakan (yang telah diikat menjadi satu) dan diinfuskan dengan vakum.
Drone — pemain baru di industri
Drone memiliki dampak di bidang industri, terbang ke udara di tempat yang lebih sulit dan mahal bagi pekerja dan mesin konvensional, termasuk robot, untuk pergi.
Salah satu aplikasi dengan potensi masa depan yang besar adalah inspeksi keselamatan bilah angin yang menua. UAV yang dilengkapi dengan kamera untuk pengawasan militer adalah salah satu penggunaan teknologi yang paling awal. Saat ini, drone yang dilengkapi dengan kamera khusus, dan dioperasikan secara mandiri oleh perangkat lunak yang sangat canggih, dapat memeriksa baling-baling turbin angin raksasa hanya dalam waktu 15 menit, (inspeksi oleh manusia dapat memakan waktu satu hari), dan meneruskan bukti visual kerusakan pada portal Web untuk tampilan di layar oleh inspektur di lingkungan yang lebih nyaman. CW meliput fenomena bisnis berbasis drone yang berkembang ini dalam edisi Mei (lihat “Layanan &perbaikan:Mengoptimalkan dampak jaringan tenaga angin”).
Sekelompok peneliti di Institut Struktur Bangunan dan Desain Struktural dan Institut Desain Komputasi Universitas Stuttgart (Stuttgart, Jerman) telah mendemonstrasikan metode baru dan cerdas dalam menggunakan drone dalam kombinasi dengan robot industri untuk membuat struktur komposit bentang panjang melalui proses penggulungan serat. Penggulungan kolaboratif, demikian sebutannya, memerlukan penggunaan dua robot industri stasioner dan drone ringan yang dibuat khusus atau “perantara” UAV untuk membuat struktur bentang panjang di ruang interstisial antara robot (Gbr. 3). Secara sederhana, tata letak fabrikasi menetapkan pembagian kerja yang menguntungkan yang memanfaatkan kekuatan kedua mesin — robot digunakan untuk secara tepat menempatkan roving yang diresapi resin pada rangka belitan, sementara drone mengangkut serat dari gulungan ke masing-masing mesin. lengan robot, sehingga menghindari batasan yang dikenakan pada ukuran bagian oleh amplop jangkauan efek-akhir robot. Sampai saat ini, alternatif utama untuk membuat bagian besar yang melebihi jangkauan robot adalah dengan membuat bagian tersebut dengan modularisasi, sebuah proses yang kurang ideal, terutama jika struktur yang dibuat adalah bantalan beban.
Proyek ini adalah karya delapan peneliti di Universitas dan dirangkum dalam makalah “Fabrikasi Multi-Mesin,” yang diterbitkan dalam Acadia edisi November 2017 , sebuah jurnal arsitektur interior dan desain spasial. Workcell terdiri dari dua, 6-sumbu KUKA (Augsburg, Jerman) KR 210 R3100 Ultra robot, dilengkapi dengan ekstensi baja, gripper hidrolik untuk memegang efektor berliku dari UAV, dan kamera inframerah yang digunakan untuk menyinkronkan lokasi robot dengan UAV . Mekanisme tegangan khusus, berdasarkan perangkat tegangan yang digunakan dalam aplikasi ekstrusi dan penggulungan, memberikan kontrol atas tegangan serat saat diteruskan dari sumber serat ke UAV atau robot.
James Solly, salah satu peneliti proyek, mengatakan desain akhir dari drone yang dibuat khusus berasal dari empat prototipe sebelumnya, dalam proses desain yang memungkinkan tim untuk mengoptimalkan bobot drone dan menstabilkan perilaku penerbangannya. Bagian-bagian tubuh drone dibuat dari pelat karbon standar, sedangkan lengan pesawat dibuat dari pipa karbon 20 mm. Bagian lain yang lebih kecil, seperti konektor dan spacer, dicetak 3D dari asam polilaktat (PLA). Dimensi drone kira-kira 92 kali 92 kali 31 cm dan kendaraan dapat membawa muatan sekitar 2 kg.
Untuk melilitkan satu titik jangkar, lengan robot bergerak di sekitar rangka belitan dengan serat yang diresapi ditinggikan di atas laminasi. Setelah mencapai titik jangkar, robot melilitkan serat di sekitarnya, lalu mengembalikan efektor penggulung ke platform pendaratan tempat UAV menunggu. Setelah pertukaran dikonfirmasi, mekanisme tegangan beralih ke tegangan rendah, dan drone membawa serat yang tidak terurai ke platform robot berikutnya. Para peneliti menggunakan sel robotik-drone untuk membuat kantilever demonstran sepanjang 12m sebagai contoh bentuk dan ukuran bagian yang tidak dapat diproduksi oleh pengaturan penggulungan serat otomatis tradisional (Gbr. 4). Bagian tersebut terdiri dari roving kaca kontinu ujung tunggal, SE1500-2400tex yang disumbangkan oleh Lange+Ritter GmbH (Gerlingen, Jerman) dan derek serat karbon kontinu SIGRAFIL, CT50-4.0/240-E100, yang disumbangkan oleh SGL Technologies GmbH (Wiesbaden, Jerman). Serat telah diresapi dengan resin epoksi EPIKOTE MGS LR 135 yang diformulasikan dengan bahan pengawet EPIKURE MGS LH 138, dipasok oleh Hexion (Columbus, OH, US). Bagian itu dibuat menggunakan serat yang telah ditentukan sebelumnya dan serat kering yang diresapi dalam rendaman resin celup serat. Solly melaporkan bahwa proses yang ditunjukkan oleh proyek ini paling cocok untuk memproduksi struktur horizontal dengan bentang panjang di antara penyangga vertikal, seperti atap ballroom atau jembatan penyeberangan di mana pengurangan berat sendiri dapat diharapkan menghasilkan pengurangan signifikan dari bahan yang digunakan dan biaya. Dia melaporkan bahwa dia dan rekan-rekannya akan menguraikan proses dan aplikasinya dengan makalah yang 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 ID frekuensi radio (RFID). Kebutuhan untuk perbaikan dalam praktik akuntansi persediaan, yang disebabkan oleh peningkatan skala gudang modern dan operasi pengiriman, telah diakui selama beberapa waktu. Pemindaian manual melelahkan, mahal, dan rentan terhadap kesalahan. Walmart, misalnya, melaporkan pada tahun 2013 kehilangan lebih dari US$3 miliar pendapatan karena ketidaksesuaian antara catatan inventarisnya dan stok aktualnya.
Tim MIT telah berhasil mengembangkan prototipe yang memungkinkan drone kecil dan ringan dengan rotor plastik fleksibel — satu-satunya jenis yang disetujui untuk digunakan di dekat manusia — untuk membaca tag RFID dari jarak puluhan meter sambil mengidentifikasi lokasi tag dengan kesalahan rata-rata. sekitar 19cm.
Bebop-2 drone yang digunakan untuk penelitian ini diproduksi oleh Parrot Corp. (Paris, Prancis). Dirancang khusus untuk menunjukkan getaran rendah untuk aplikasi seperti fotografi, drone ini memiliki badan pesawat yang terbuat dari nilon Grilamid TR yang diisi kaca, dipasok oleh EMS-CHEMIE AG (Domat/Ems, Swiss). Setiap drone memiliki berat sekitar 500g dan dapat terbang secara mandiri selama sekitar 25 menit. Meskipun disetujui untuk digunakan di sekitar orang, drone terlalu kecil untuk membawa pembaca RFID dengan jangkauan lebih dari beberapa sentimeter. Sebagai gantinya – ini adalah terobosan penelitian utama – drone digunakan untuk menyampaikan sinyal yang dipancarkan oleh pembaca RFID standar ke tag RFID. Ketika sinyal mencapai tag, tag kemudian mengkodekan pengenalnya pada sinyal sebelum mengirimnya kembali ke drone. Drone meneruskan sinyal ke pembaca, yang menerjemahkan pengidentifikasi, dan dengan demikian item dan lokasi item. Tim saat ini bekerja untuk meningkatkan ketepatan mekanisme penempatan jarak yang lebih jauh, serta cara-cara untuk meningkatkan kecepatan dan skalabilitas proses.
Inovasi memacu aplikasi drone baru
Pemasok bahan, produsen pencetakan 3D kontrak, dan pemasok peralatan pencetakan melaporkan bisnis yang berkembang dari produsen drone, dan sedang mengembangkan produk dan kemampuan baru untuk melayani bisnis ini.
Clearwater Composites LLC (Duluth, MN, US) memproduksi jajaran pipa dan pelat serat karbon yang dipasok ke produsen peralatan industri, robotika, aerospace, barang olahraga, dan UAV. Tabung, dalam berbagai bentuk, terutama dibuat dengan prepreg epoksi serat karbon searah pembungkus gulungan pada mandrel, dengan pengawetan pada 250 °C. Tabung dibuat dalam nilai modulus standar, tinggi dan ultra-tinggi, yang terakhir terbuat dari serat pitch. Perusahaan memproduksi pelat dalam berbagai ketebalan, dalam lembaran hingga 1,2m kali 2,4m, dari bahan serupa melalui cetakan kompresi atau infus vakum. Presiden Jeff Engbrecht mengatakan pelanggan UAV-nya biasanya adalah perusahaan yang berbasis di Amerika Utara yang merancang dan membangun UAV untuk aplikasi industri dan kedirgantaraan kelas atas.
Clearwater, ia melaporkan, memasok salah satu pelanggannya, perancang dan produsen UAV/drone, dengan tabung berdinding tipis (0,03 inci/0,76-mm) yang dibuat khusus dari Toray Industries (Tokyo, Jepang) serat karbon M46J modulus tinggi. Tabung, untuk aplikasi baru yang tidak ditentukan, berbentuk bulat di salah satu ujungnya, kemudian meruncing ke bentuk oval di ujung lainnya.
Stratus Aeronautics (Burnaby, BC, Canada) memproduksi drone yang terutama digunakan untuk melakukan survei magnetik dan udara dalam penelitian ilmiah, pertambangan, militer, dan aplikasi lainnya. Dirancang dan dibangun dalam konfigurasi sayap tetap dan multi-rotor, drone survei ini memberikan keuntungan biaya yang signifikan dibandingkan pesawat yang dikemudikan.
Venture sayap tetap perusahaan r UAV (Gbr. 5) adalah pesawat kecil dan ringan, ditenagai oleh mesin gas dua langkah 100 cc dan mampu melakukan misi jangka panjang (>10 jam) — tidak mungkin dilakukan dengan pesawat yang dikemudikan.
Pesawat ini memiliki badan pesawat yang dibentuk dari prepreg serat karbon, sayap yang terdiri dari semi-monocoque dengan inti busa, dan badan pesawat monocoque tanpa inti.
Curtis Mullen, chief technical officer perusahaan, mengatakan desain dan pengujian hampir selesai untuk UAV listrik multi-rotor baru. Dengan panjang 3m dan berat sekitar 15 kg, kecuali untuk elektronik, seluruhnya dibangun dari komposit serat karbon. “Sasisnya adalah struktur monocoque yang dapat menyelaraskan sendiri yang terbuat dari pelat karbon yang diarahkan ke CNC,” lapor Mullen. Karbon berbentuk tabung dengan berbagai orientasi dan modulus serat, tergantung pada beban lokal, terdiri dari sisa struktur. Di CW Waktu pers Juli, perusahaan berencana untuk menyelesaikan konstruksi dan pengujian penerbangan dalam jangka waktu Juni/Juli dan memperkenalkan Venturer ke pasar nanti pada tahun 2018.
Drone pas dengan pencetakan 3D
Mengingat pesatnya perkembangan teknologi drone, tidak mengherankan jika pembuat drone telah memberikan dorongan untuk pembuatan aditif komposit. Desainer drone tidak hanya menggunakan printer 3D format besar untuk melakukan prototyping cepat yang prosesnya pertama kali disusun, tetapi juga, saat proses tersebut berkembang, untuk menyediakan perkakas dan komponen jadi juga, untuk memenuhi waktu penyelesaian cepat yang dibutuhkan oleh OEM drone .
Impossible Objects (Northbrook, IL), misalnya, baru-baru ini bermitra dengan Aurora Flight Sciences (Manassas, VA) untuk mencetak 3D dudukan stabilizer belakang 76-kali-38-mm dari polietilen densitas tinggi (HDPE) yang diperkuat dengan potongan 25,4 mm serat karbon, menggunakan teknologi Composite-Based Additive Manufacturing (CBAM). Bagian itu dipasang pada pesawat baru dalam pengembangan pada saat itu, menggantikan bagian yang terbuat dari nilon yang tidak diperkuat yang rusak. Meskipun teknologi manufaktur aditif telah sering digunakan untuk membuat prototipe atau bagian uji, CEO Impossible Objects Larry Kaplan mengatakan perusahaan saat ini sedang bekerja untuk mengamankan beberapa aplikasi komersial dengan volume lebih tinggi untuk suku cadang dalam drone. Rincian aplikasi belum dapat dirinci, tetapi Kaplan melaporkan bahwa mereka akan melibatkan bahan serat karbon/nilon dan serat karbon/PEEK yang baru, tahan suhu tinggi, dan telah dikembangkan oleh perusahaan. “Kami adalah satu-satunya produsen aditif komposit dengan bahan MENGINTIP yang diperkuat,” klaim Kaplan, mencatat bahwa bahan dengan ketahanan suhu tinggi semakin diminati untuk suku cadang dan cetakan.
Pemasok printer Stratasys Inc. (Eden Prairie, MN, AS) bermitra dengan pemasok material dan fabrikator kedirgantaraan/drone dalam pengembangan dan komersialisasi teknologi perkakas cetak 3D untuk pencetakan komponen komposit. Timothy Schniepp, direktur senior, solusi komposit di Stratasys, mengatakan mesin model deposisi fusi (FDM) perusahaan dapat menghasilkan sebagian besar alat dalam dua hingga tiga hari atau kurang, yang berarti pelanggan dapat mencetak suku cadang dalam waktu kurang dari seminggu. Bahan suhu tinggi perusahaan, Ultem 1010, polieterimida (PEI) yang diproduksi oleh SABIC (Pittsfield, MA, US), adalah bahan tidak terisi tujuan umum yang cocok untuk pembuatan semua perkakas lay-up, termasuk perkakas yang diautoklaf hingga suhu naik hingga 300 °F.
Swift Engineering Inc. (San Clemente, CA, AS) menggunakan FDM dan Ultem 1010 untuk memproduksi bagian cetakan kompresi yang cocok untuk bilah baling-baling epoksi yang diperkuat serat karbon UAV. Alat 356-kali-102-kali-51-mm membutuhkan waktu pembuatan selama 30 jam dan digosok dan disegel secara manual dengan epoksi dua bagian, menghasilkan permukaan akhir Ra (rata-rata kekasaran) sekitar 0,4µm.
Rock West Composites (West Jordan, UT, US) bekerja sama dengan Stratasys untuk memvalidasi beberapa desain alat dengan mencetak bagian uji. Adrian Corbett, direktur pengembangan bisnis di perusahaan, mencatat bahwa industri drone memasukkan lebih banyak komponen cetak 3D ke dalam produknya, dan alat cetak 3D menawarkan keunggulan yang jelas dibandingkan dengan alat permesinan dari epoksi atau bahan perkakas lainnya. “Ini memungkinkan Anda untuk membuat bagian secepat Anda dapat mencetak alat tersebut,” katanya.
Singkatnya, era produktif drone baru telah muncul dan ada di sini. Untungnya, bagi banyak orang di industri komposit, perubahan, dalam hal ini, adalah baik.
