Bahan di Balik Drone Modern: Dari Serat Karbon hingga Baterai Litium-Ion

Bahan teratas yang digunakan dalam drone:

• Komposit diperkuat serat karbon (CRFCs)
• Termoplastik seperti polyester, nylon, polistiren, dll.
• Aluminium
• Baterai litium ion

Sepertinya kemarin drone masih sesuatu yang baru, prototipe yang dibangun oleh perusahaan dan hobiwan. Sekarang sepertinya drone telah menduduki dunia. Mereka ada di mana-mana, melayani peran dalam industri, seni, dan bahkan sebagai mainan anak-anak. Orang sering mengabaikan fakta bahwa mesin terbang kecil ini baru saja menjadi umum baru-baru ini. Drone masih dalam tahap awal, dan seiring dengan meningkatnya teknologi bahan dan mikrokontroler, drone masa depan akan berevolusi dengan cara yang mungkin hampir seperti fiksi ilmiah.

Dengan memeriksa cara drone dirancang dan bahan yang digunakan untuk membuatnya, kita dapat memahami bagaimana teknologi penting ini berkembang dan mendapatkan gambaran tentang bagaimana itu dapat maju di masa mendekat.

Jadi, apa itu drone? Bagaimana mereka dirancang? Dan apa yang mendorong lonjakan mereka menjadi teknologi yang luas?

Mari kita cari tahu.

Apa itu Drone?

Untuk sebagian besar orang, “drone” adalah jenis tertentu dari kendaraan udara tanpa awak (UAV): multirotor atau multicopter. Seperti yang namanya implikasikan, mesin ini terbang dengan mengarahkan dorongan ke bawah dari dua atau lebih propeller yang digerakkan motor.

Model konsumen yang paling populer adalah kuadcopter (4 rotor), tetapi varian komersial mencakup hekacopter (6 rotor) dan oktacopter (8 rotor) untuk memberikan daya angkat yang lebih besar. Meskipun ada berbagai macam drone militer dan sipil di luar sana, kami akan fokus pada drone multirotor umum dan bahan yang digunakan untuk membuatnya.

Agar dapat terbang, drone harus dapat menghasilkan dorongan ke atas yang cukup untuk mengatasi bobotnya sendiri, jadi pemilihan bahan dalam drone didominasi oleh meminimalkan massa drone.

Setiap gram bahan yang digunakan untuk membuat drone membutuhkan energi untuk diangkat, dan setiap gram yang dapat dihemat meningkatkan performa:

• Kapasitas muatan yang meningkat
• Waktu terbang yang diperpanjang
• Inersia yang dikurangi dan manevrabilitas yang ditingkatkan

Proses pemilihan bahan dan merancang komponen untuk meminimalkan massa disebut “lightweighting”. Ini memberikan kriteria pemilihan properti bahan yang paling penting: meminimalkan massa dengan memilih bahan dengan kepadatan rendah.

Rincian per Bagian

Drone adalah perangkat kompleks yang terdiri dari berbagai komponen yang bekerja sama. Setiap komponen memenuhi fungsi yang berbeda, jadi pertimbangan berbeda masuk ke dalam saat memilih bahan untuk setiap bagian. Namun, untuk setiap potongan drone, kepadatan bahan harus dipertimbangkan untuk meminimalkan bobot dan memaksimalkan performa.

Bingkai: Menyatukan Semuanya

Bingkai memberikan bentuk pada drone dan mempertahankan semua subsistem tempatnya. Karena berfungsi secara mekanis, properti bahan yang paling penting untuk bingkai adalah kekuatan. Untuk drone komersial, termoplastik seperti varian nylon, polyester, dan polistiren, adalah pilihan populer karena mereka murah untuk dibuat menjadi bagian kompleks menggunakan proses injeksi cetak.

Termoplastik juga menawarkan kekuatan yang baik dan kepadatan rendah, dengan beberapa varian yang memiliki kekuatan tarik lebih dari 100 MPa dan kepadatan di bawah 2 g/cm3. Banyak termoplastik juga tersedia dalam filamen yang dapat digunakan untuk mencetak bagian kustom dengan 3D, menjadikan termoplastik komponen populer dari drone eksperimental.

Sementara drone komersial dapat menyikapi bobot tambahan untuk menjadi lebih terjangkau, drone industri memprioritaskan performa. Bahan yang tinggi kekuatannya dapat digunakan dalam jumlah yang lebih sedikit, membuat drone yang lebih ringan dan berperforma lebih tinggi.

Jika kita menggunakan pencarian Matmatch untuk menemukan bahan dengan kepadatan terendah dan kekuatan tertinggi, kita menemukan pilihan terbaik untuk bingkai drone berperforma tinggi: komposit diperkuat serat karbon. Komposit ini menawarkan kekuatan tinggi, kepadatan rendah, dan kekakuan tinggi untuk membuat bingkai drone yang ringan dan kaku.

Motor & Propeller: Lepas Landas

Tanpa sumber dorongan, drone tidak akan pernah lepas tanah. Motor yang menggerakkan drone adalah motor listrik konvensional dengan gulungan tembaga dan magnet permanen. Perisai motor dapat dipilih untuk meminimalkan bobot, dan baik termoplastik atau aloi aluminium menawarkan rasio kekuatan terhadap bobot yang baik.

Namun, motor dapat menghasilkan panas yang signifikan. Jadi, bahan dengan konduktivitas termal tinggi, seperti aluminium, dapat digunakan untuk perisai untuk membantu mendinginkan motor.

Balings-baling rotor drone berputar dengan kecepatan tinggi, jadi mereka cenderung mengalami aus dan kerusakan paling banyak saat drone terbang (atau jatuh). Sama seperti bahan bingkai, memilih bahan balings-baling rotor yang optimal adalah masalah memaksimalkan kekuatan sambil meminimalkan bobot.

Beberapa balings-baling rotor dibuat dari komposit diperkuat serat karbon. Namun, balings-baling rotor sering rusak dan diganti, jadi banyak terbuat dari termoplastik untuk mengurangi biaya penggantian saat mereka rusak.

Karena balings-baling rotor biasanya rusak dalam benturan kecepatan tinggi saat berputar, seorang insinyur yang mencari untuk merancang balings-baling rotor yang tahan lama dapat memfilter bahan berdasarkan kekuatan benturan dan kepadatan untuk memilih bahan yang sesuai.

Baterai: Daya untuk Terbang

Di antara semua komponen dalam drone, perbaikan pada teknologi baterai mungkin perbaikan terpenting yang membuat drone multirotor modern mungkin. Sama seperti rasio kekuatan terhadap bobot dipertimbangkan saat merancang komponen mekanis, performa baterai dapat diukur dalam hal bobot baterai.

Pengukuran seperti energi spesifik (J/kg) dan daya spesifik (W/kg) menggambarkan kemampuan baterai untuk menyimpan dan melepaskan energi dalam hal massa baterai.

Baterai asam timbal dan Ni-Cd tua terlalu berat untuk drone yang mereka daya untuk terbang lama, jika bisa mengangkat diri sendiri dari tanah sama sekali. Namun, baterai litium ion modern menawarkan cukup energi dan daya dalam paket yang ringan untuk membuat drone multirotor modern mungkin. Perkembangan masa depan dalam teknologi baterai dan kapasitor akan mengaktifkan drone yang bahkan lebih ringan dan berperforma lebih tinggi.

Sensor: Sistem Saraf Drone

Drone multirotor terlibat dalam aksi keseimbangan yang halus setiap kali mereka terbang. Jika satu motor memberikan dorongan yang terlalu besar, drone akan miring atau bahkan terbalik. Sama seperti tubuh manusia menggunakan jaringan kompleks indra dan saraf untuk menyeimbangkan diri saat berjalan, drone multirotor menggunakan serangkaian sensor dan mekanisme umpan balik yang mengagumkan untuk tetap di udara.

Bagian paling vital dari “sistem saraf” drone adalah sensor kemiringan. Menggabungkan campuran sensor giroskop dan accelerometer, sensor kemiringan terhubung dalam lingkaran umpan balik dengan motor drone.

Drone yang terbang terus-menerus melakukan penyesuaian kecil pada dorongan motor untuk tetap rata, memungkinkan ia untuk pulih dari arus udara dan manevra ekstrim. Beberapa drone canggih juga dapat miringkan setiap rotor secara independen, memungkinkan drone untuk mengontrol baik arah maupun kekuatan dorongan yang didapat dari setiap rotor.

Drone juga dapat menggunakan berbagai sensor lainnya untuk memantau sistem internal mereka dan dunia di sekitar mereka. Sensor arus dan tegangan membantu drone melacak energi yang ditarik dari cadangan dayanya, membantu pilotnya mengetahui saatnya mendarat dan mengisi ulang daya.

GPS dan sensor magnetik membantu navigasi dengan mengukur lokasi dan orientasi drone. Sensor aliran udara memungkinkan drone untuk mendeteksi kecepatan udara atau arus angin, dan informasi tersebut dapat diumpan kembali ke rangkaian keseimbangannya untuk membuat penerbangan drone lebih stabil.

Mikrokontroler dan Kamera: Drone yang Lebih Cerdas

Perkembangan yang sama dalam teknologi mikrochip yang menciptakan smartphone modern memungkinkan drone untuk menjadi komputer terbang. Banyak chip yang sama yang dapat ditemukan di smartphone (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm, dll.) juga muncul dalam drone.

Saat drone menjadi lebih cerdas, mereka menjadi mampu untuk mengambil tugas yang lebih canggih dengan kontrol manusia yang lebih sedikit. Saat ini, ini berarti drone dapat mengikuti jalur yang ditetapkan tanpa pilot manusia atau mencatat pengukuran dari array sensor yang lebih besar. Namun, peneliti sedang mempelajari cara memprogram drone untuk melakukan tugas yang semakin kompleks tanpa bantuan manusia.

Untuk sebagian besar orang, seluruh tujuan drone adalah untuk membawa kamera ke ketinggian yang tidak bisa dicapai manusia. Bahkan drone konsumen tingkat dasar membawa kamera yang baik mengirimkan video kembali ke smartphone atau mencatat gambar ke memori.

Studio film menggunakan drone kelas atas untuk mengoreksi film-film dengan anggaran besar mereka. Namun, perkembangan di bidang “penglihatan komputer” sedang mengubah kamera menjadi lebih dari sekadar beban atau alat bantu untuk pilot manusia. Drone masa depan akan menggunakan kamera untuk melihat dunia di sekitar mereka dan menggunakan informasi tersebut untuk menerbangkan diri mereka sendiri.

Drone semakin mampu untuk terbang tanpa bantuan dari pilot manusia atau bahkan GPS untuk navigasi, dan ini memberikan kemampuan baru yang kuat: drone bekerja bersama. Rombongan drone sebelumnya terdiri dari tim drone yang menggunakan GPS dan berkomunikasi dengan pengontrol pusat untuk menentukan di mana setiap individu berada dalam grup.

Namun, penelitian terbaru telah menghasilkan drone yang menggunakan sensor papan sendiri mereka, dan bahkan kamera mereka, untuk mengenali drone lain dan terbang dalam formasi. Segera, mungkin akan umum untuk melihat tim drone otonom yang bertindak sebagai penyelamat nyawa, mengurus tanaman, atau terbang dalam formasi pencarian untuk membantu upaya penanggulangan bencana.

Teknologi dengan Dampak Global

Drone sepertinya ada di mana-mana sekarang. Mereka mengoreksi film, bermain dalam film, membantu menjual properti, siaran olahraga, menciptakan olahraga baru, bekerja di pertanian dan pabrik, memburu drone lain, dan segera mungkin mereka akan mengirim paket. Seiring dengan meningkatnya bahan, AI, dan mikrokontroler, drone akan terus merevolusi beragam industri.

Masa Depan Drone

Drone semakin populer setiap hari dan merevolusi cara dunia bekerja dan bermain. Bahan yang digunakan dalam drone dipilih untuk meningkatkan performa dengan bingkai kuat tinggi dan kapasitas baterai tinggi sambil meminimalkan bobot.

Meminimalkan bobot drone memaksimalkan performa mereka, baik dalam hal membuat drone sinemak mampu melakukan penambangan yang lebih lama atau membuat drone balapan lebih manevurabel. Drone terus-menerus menjadi lebih cerdas, juga, dan mungkin tidak akan lama lagi sebelum drone otonom menjadi bagian inherent dari kehidupan sehari-hari.