Drones:UAV compuestos toman vuelo

Cambio, mejor aún, cambio rápido. Esto caracteriza mejor el estado actual del diseño y la fabricación de vehículos aéreos no tripulados (UAV). Un gran cambio es la terminología. Los UAV ahora son drones y la tecnología de drones, en un momento, casi exclusivamente confinada a misiones militares, están desafiando las definiciones limitantes y encontrando uso en una gran cantidad de aplicaciones industriales, comerciales y de consumo de vanguardia. Ya no se limitan al control de los humanos en tierra, los drones también están dando forma al destino de la tecnología autónoma:qué será y cómo se puede usar.

En el radar:drones para comunicación, automatización

Una de las grandes promesas del uso de compuestos en drones es como habilitador de sistemas persistentes y de larga duración que brindan acceso a Internet Wifi de área amplia. Idealmente, estos drones funcionarían con energía solar y podrían servir a áreas terrestres de muchas millas cuadradas con acceso ininterrumpido a Internet durante semanas. Hay al menos dos programas que persiguen esta tecnología, y los resultados hasta ahora son prometedores, aunque mixtos.

Uno es el trabajo del gigante de las redes sociales Facebook (Menlo Park, CA, EE. UU.), Y el otro, un producto del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, Cambridge, MA, EE. UU.). Cada uno ha construido y volado prototipos y tiene como objetivo lograr una duración de vuelo de UAV sin precedentes con diseños radicalmente nuevos, que, por necesidad, esperan maximizar las ventajas de los compuestos avanzados.

En desarrollo desde 2014, Aquila de Facebook (Figura 1), Un dron de cuatro hélices, compuesto completamente de fibra de carbono, alimentado por energía solar, ha sido probado dos veces. En 2016, estuvo en el aire durante 96 minutos por debajo de los 305 m, y el año pasado voló durante unos 106 minutos, alcanzando una altitud de 914,4 m. El Aquila está destinado a grandes cosas: Aquila's la base de clientes objetivo declarada es de varios mil millones personas de todo el mundo sin acceso confiable en línea. Dada la enorme escala geográfica, el dron debe ser capaz de realizar un vuelo ininterrumpido muy largo y eso, a su vez, tiene profundas consecuencias para Aquila's rendimiento de vuelo y parámetros de diseño. Facebook debe construir y lanzar aviones sin piloto capaces de realizar vuelos continuos durante meses y en altitudes muy elevadas:60.000-90.000 pies (18.290-27.430 m). A esta altura, el dron puede proporcionar cobertura WiFi en aproximadamente 60 millas cuadradas. Cuando se perfeccione la tecnología, el CEO de Facebook, Mark Zuckerberg, ha declarado que tiene la intención de construir una flota de drones.

Aunque esta es una buena noticia para la industria de los compuestos, Facebook ha publicado pocos detalles de ingeniería específicos sobre Aquila o los materiales de fibra de carbono y el laminado utilizados para construirlo . CW ha aprendido que la versión probada en vuelo tiene una "envergadura más amplia que un Boeing 737", lo que lo sitúa en el rango de 110 pies (± 34 m). Renunciando al peso adicional y la resistencia del tren de aterrizaje convencional, el Aquila también está equipado con una “plataforma de aterrizaje” de Kevlar adherida a la parte inferior de las cabinas del motor, una de las razones por las que solo pesa alrededor de 1,000 lb (454 kg), y aproximadamente la mitad de esa masa corresponde a las baterías. Zuckerberg, sin embargo, ha dejado en claro que el dron debe hacerse aún más liviano.

Cuando viaja en contra del viento, el dron vuela, por diseño, a una velocidad terrestre de solo 10-15 mph, lo que lo mantiene centrado sobre el área objetivo destinada a recibir la señal. El sistema de comunicaciones utilizará láseres para transferir datos, que es aproximadamente 10 veces más rápido que la fibra óptica terrestre. En la segunda versión del dron, la última versión volada, un material de revestimiento no especificado aplicado a las alas creó un "acabado más suave" y se le atribuye haber duplicado su velocidad de ascenso a 54,9 m / min, en comparación con la velocidad de ascenso del primer dron. Dicho esto, queda por ver si Aquila's Los ambiciosos objetivos de duración de los vuelos pueden alcanzarse utilizando únicamente energía solar. Los principales desafíos del proyecto en la siguiente fase, según las publicaciones de Aquila Sitio de Facebook, son la eficiencia de los paneles solares, el almacenamiento de la batería y el logro de paradigmas de costos aceptables para la operación. Facebook dice que tiene la intención de expandir el programa de prueba para incluir drones con diferentes "factores de forma, tamaños y pesos", y volar a altitudes más altas en la próxima ronda de vuelos de prueba.

Mientras tanto, un equipo de ingenieros del MIT ha diseñado, construido y probado un UAV con una envergadura de 7,32 m (24 pies), fabricado completamente con materiales compuestos reforzados con fibra de carbono y Kevlar (Fig.2), El objetivo del proyecto de desarrollo de vehículos aéreos no tripulados, denominado Jungle Hawk Owl y financiado por la Fuerza Aérea de EE. UU. (Gateways Branch, AFLCMC / HNAG, Hanscom Air Force Base, Bedford, MA, EE. UU.), es un poco más modesto que el de Aquila de Facebook . El objetivo es construir un dron capaz de permanecer en el aire durante cinco o más días, en latitudes geográficas altas y bajas, en todas las estaciones, a una altitud de aproximadamente 4.572 m. Dicho dron estaría diseñado para funcionar como un centro de comunicaciones, proporcionando conexiones temporales de Internet / teléfono en un área grande en caso de un corte de energía o servicio a gran escala.

El diseño del dron se inspiró en un planeador, con un perfil aerodinámico típicamente delgado. La primera versión a gran escala, probada el año pasado a una altitud máxima de 122 m, tiene un grosor de ala de 42,4 mm que se estrecha a 20,8 mm y un peso total en vacío de solo 12,7 kg. Después de que se completen pequeños ajustes en la aeronave y su sistema de lanzamiento en la azotea del automóvil, Las pruebas de vuelo a gran altitud están programadas para este verano, con el dron transportando una carga útil completa de equipo de comunicación y combustible, con un peso de hasta 45,4 kg.

John Hansman, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT y uno de los miembros del personal que supervisa la investigación de los estudiantes, una colaboración entre el MIT y el Laboratorio Lincoln del MIT (Lexington, MA, EE. UU.), Informa que las alas comprenden un núcleo sándwich moldeado en dos proceso paso a paso. Para lograr la precisión aerodinámica necesaria, la piel de la superficie superior del ala se moldeó por separado, mediante infusión al vacío, a partir de una capa de tela de fibra de carbono unidireccional orientada a 90 ° a lo largo de la envergadura. Para hacer la piel de las alas inferior, se moldearon casquillos de varillaje de espesor variable a partir de tela unidireccional y se colocaron en el molde. Luego se colocó espuma de poliestireno alrededor y entre las tapas de los largueros, y la piel del fondo se embolsó al vacío en su lugar contra la construcción. A continuación, la piel superior se colocó en la parte inferior y se envolvió en una estopa 12K. Todos los tejidos se infundieron con West Systems 105, un epoxi de baja viscosidad suministrado por Gougeon Bros. Inc. (Bay City, MI, EE. UU.). Todos los moldes fueron mecanizados por CNC a partir de espuma de poliuretano RenShape 440, proporcionada por Freeman Manufacturing &Supply Co. (Avon, OH, EE. UU.).

Para hacer el fuselaje, que alberga su motor de gasolina (ver la historia paralela "Drones:el software del MIT arroja dudas sobre los vehículos aéreos no tripulados que funcionan con energía solar") y el tanque de combustible, el equipo usó un molde cilíndrico simple de concreto, aplicó dos capas de tela unidireccional, una a 90 ° y uno a 45 °, al diámetro interior del tubo, luego se utilizó una bolsa de vacío toroidal colocada a través y alrededor del tubo, para infundir al vacío la tela, con la capa exterior del laminado colocada contra la pared interior del tubo. Para fabricar el cono de nariz, que contiene la electrónica de comunicaciones, se mecanizó un molde externo de forma cónica en dos mitades de espuma. Se colocó una sola capa de tejido de Kevlar a 0 ° sobre las mitades del molde (que se habían unido entre sí) y se infundió al vacío.

Drones:nuevos actores en la industria

Los drones están teniendo un impacto en el ámbito industrial, yendo por aire donde es más difícil y costoso para los trabajadores y la maquinaria convencional, incluidos los robots, ir.

Una aplicación con un futuro potencialmente enorme es la inspección de seguridad de palas eólicas envejecidas. Los UAV equipados con cámaras para vigilancia militar fueron uno de los primeros usos de la tecnología. Hoy en día, los drones equipados con cámaras especiales y operados de forma autónoma por un software extremadamente sofisticado, pueden inspeccionar las palas del rotor de una turbina eólica gigante en tan solo 15 minutos (la inspección por parte de un humano puede llevar un día entero) y enviar evidencia visual de daños a un portal web para que los inspectores lo vean en pantalla en un entorno más cómodo. CW cubrió este creciente fenómeno empresarial basado en drones en su edición de mayo (consulte "Servicio y reparación:Optimización del impacto de la red de energía eólica").

Un grupo de investigadores del Instituto de Estructuras de Edificación y Diseño Estructural y del Instituto de Diseño Computacional de la Universidad de Stuttgart (Stuttgart, Alemania) ha demostrado un método novedoso e inteligente de utilizar drones en combinación con robots industriales para fabricar una estructura compuesta de gran envergadura a través de un proceso de bobinado de fibra. El bobinado colaborativo, como se le llama, implica el uso de dos robots industriales estacionarios y un dron liviano y hecho a medida o un UAV "intermediario" para fabricar estructuras de gran envergadura en el espacio intersticial entre los robots (Fig. 3). En términos simples, el diseño de fabricación establece una división favorable del trabajo que capitaliza las fortalezas de ambas máquinas:los robots se utilizan para colocar con precisión la mecha impregnada de resina en el bastidor de bobinado, mientras que el dron transporta la fibra desde los carretes a cada uno. de los brazos robóticos, evitando así la limitación impuesta en el tamaño de la pieza por la envolvente de alcance del efector final del robot. Hasta ahora, la alternativa principal a la fabricación de piezas grandes que exceden el alcance del robot era construir la pieza mediante modularización, un proceso que no es ideal, especialmente si la estructura fabricada soporta carga.

El proyecto fue el trabajo de ocho investigadores de la Universidad y se resume en el artículo "Fabricación de múltiples máquinas", publicado en la edición de noviembre de 2017 de Acadia , revista de arquitectura de interiores y diseño espacial. La celda de trabajo constaba de dos robots KUKA (Augsburg, Alemania) KR 210 R3100 Ultra de 6 ejes, equipados con extensiones de acero, una pinza hidráulica para sujetar el efector de bobinado del UAV y una cámara de infrarrojos utilizada para sincronizar las ubicaciones del robot con el UAV. . Un mecanismo de tensión personalizado, basado en dispositivos de tensión utilizados en aplicaciones de extrusión y laminado, proporciona control sobre la tensión de la fibra a medida que pasa de la fuente de fibra al UAV o al robot.

James Solly, uno de los investigadores del proyecto, dice que el diseño final del dron hecho a medida se derivó de cuatro prototipos anteriores, en un proceso de diseño que permitió al equipo optimizar el peso del dron y estabilizar su comportamiento de vuelo. Las piezas para el cuerpo del dron se mecanizaron a partir de una placa de carbono estándar, mientras que los brazos de la nave se fabricaron con tubos de carbono de 20 mm. Otras piezas más pequeñas, como conectores y espaciadores, se imprimieron en 3D a partir de ácido poliláctico (PLA). Las dimensiones del dron son de aproximadamente 92 por 92 por 31 cm y el vehículo puede transportar una carga útil de aproximadamente 2 kg.

Para enrollar un solo punto de anclaje, el brazo del robot se desplaza alrededor del marco de enrollamiento con la fibra impregnada elevada por encima del laminado. Al llegar al punto de anclaje, el robot enrolla la fibra a su alrededor, luego devuelve el efector de enrollamiento a la plataforma de aterrizaje donde está esperando el UAV. Una vez confirmado el intercambio, el mecanismo de tensión cambia a tensión baja y el dron lleva la fibra desenrollada a la siguiente plataforma robótica. Los investigadores utilizaron la celda de un dron robótico para fabricar un voladizo de demostración de 12 m de largo como un ejemplo de la forma y el tamaño de las piezas que no podrían haber sido producidas por la configuración tradicional automatizada de bobinado de fibra (Fig. 4). La parte comprendía mecha de vidrio continuo de un solo extremo, SE1500-2400tex donado por Lange + Ritter GmbH (Gerlingen, Alemania) y estopa continua de fibra de carbono SIGRAFIL, CT50-4.0 / 240-E100, donada por SGL Technologies GmbH (Wiesbaden, Alemania). Las fibras se impregnaron previamente con resina epoxi EPIKOTE MGS LR 135 formulada con el agente de curado EPIKURE MGS LH 138, suministrado por Hexion (Columbus, OH, EE. UU.). La pieza se fabricó utilizando fibras preimpregnadas y fibras secas impregnadas en un baño de resina por inmersión de fibras. Solly informa que el proceso demostrado por el proyecto es más adecuado para producir estructuras horizontales con grandes vanos entre soportes verticales, como techos de salones de baile o puentes peatonales en los que se puede esperar que la reducción del peso propio produzca reducciones significativas de materiales utilizados y costos. Él informa que él y sus colegas desarrollarán el proceso y sus aplicaciones con un documento que se presentará en la próxima conferencia de la Asociación Internacional de Shell y Estructuras Espaciales (IASS 2018), del 16 al 20 de julio, Boston, MA, EE. UU.

En otro proyecto relacionado con la industria, un equipo de investigación del MIT Media Lab está investigando el uso de drones para localizar e identificar el inventario del almacén mediante etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID). Desde hace algún tiempo se reconoce la necesidad de mejorar las prácticas de contabilidad de inventarios, provocada por el aumento de la escala de las operaciones modernas de almacenamiento y envío. El escaneo manual es laborioso, costoso y propenso a errores. Walmart, por ejemplo, informó en 2013 una pérdida de más de US $ 3 mil millones en ingresos debido a discrepancias entre sus registros de inventario y sus existencias reales.

El equipo del MIT ha desarrollado con éxito un prototipo que permite a drones pequeños y livianos con rotores de plástico flexible, el único tipo aprobado para su uso cerca de humanos, para leer etiquetas RFID desde decenas de metros de distancia e identificar la ubicación de las etiquetas con un error promedio. de unos 19 cm.

El Bebop-2 Los drones utilizados para el estudio son fabricados por Parrot Corp. (París, Francia). Diseñado específicamente para exhibir bajas vibraciones para aplicaciones como la fotografía, el dron cuenta con un fuselaje hecho de nailon Grilamid TR relleno de vidrio, suministrado por EMS-CHEMIE AG (Domat / Ems, Suiza). Cada dron pesa unos 500 gy puede volar de forma autónoma durante unos 25 minutos. Aunque están aprobados para su uso cerca de personas, los drones son demasiado pequeños para llevar un lector RFID con un alcance de más de unos pocos centímetros. En cambio, este es el avance clave de la investigación, los drones se utilizan para transmitir señales emitidas por un lector RFID estándar a una etiqueta RFID. Cuando la señal llega a la etiqueta, la etiqueta codifica su identificador en la señal antes de enviarla de vuelta al dron. El dron envía la señal al lector, que decodifica el identificador y, por lo tanto, el artículo y la ubicación del artículo. El equipo está trabajando actualmente para mejorar la precisión del mecanismo de localización en distancias más largas, así como formas de mejorar la velocidad y escalabilidad del proceso.

Innovación que impulsa nuevas aplicaciones de drones

Los proveedores de materiales, los fabricantes de impresión 3D por contrato y los proveedores de equipos de impresión informan un crecimiento del negocio de los fabricantes de drones y están desarrollando nuevos productos y capacidades para dar servicio a este negocio.

Clearwater Composites LLC (Duluth, MN, EE. UU.) Produce una línea de tubos y placas de fibra de carbono que suministra a los fabricantes de equipos industriales, robótica, aeroespacial, artículos deportivos y UAV. Los tubos, en una variedad de formas, se fabrican principalmente enrollando preimpregnado epoxi de fibra de carbono unidireccional en un mandril, con un curado a 250 ° C. Los tubos se fabrican en grados de módulo estándar, alto y ultra alto, este último fabricado con fibras de brea. La empresa fabrica placas en una gama de espesores, en láminas de hasta 1,2 m por 2,4 m, a partir de materiales similares mediante moldeo por compresión o infusión al vacío. El presidente Jeff Engbrecht dice que sus clientes de vehículos aéreos no tripulados suelen ser empresas con sede en América del Norte que diseñan y fabrican vehículos aéreos no tripulados para aplicaciones industriales y aeroespaciales de alta gama.

Clearwater, informa, está suministrando a uno de sus clientes, un diseñador y fabricante de vehículos aéreos no tripulados / drones, con un tubo cónico personalizado de paredes delgadas (0,03 pulgadas / 0,76 mm), fabricado en Toray Industries (Tokio, Japón). Fibra de carbono M46J de alto módulo. El tubo, para una nueva aplicación no especificada, es redondo en un extremo, luego se estrecha hasta una forma ovalada en el otro extremo.

Stratus Aeronautics (Burnaby, BC, Canadá) fabrica drones que se utilizan principalmente para realizar estudios magnéticos y aéreos en la investigación científica, la minería, el ejército y otras aplicaciones. Diseñados y construidos tanto en configuraciones de ala fija como de múltiples rotores, estos drones topográficos brindan importantes ventajas de costos con respecto a las naves pilotadas.

Venture de ala fija de la empresa r El UAV (Fig. 5) es una aeronave pequeña y liviana, propulsada por un motor de gas de dos tiempos de 100 cc y es capaz de realizar misiones de larga duración (> 10 horas), lo que no es posible con una nave pilotada.

El avión cuenta con un fuselaje moldeado de fibra de carbono preimpregnado, alas que comprenden un semi-monocasco con núcleos de espuma y un fuselaje monocasco sin núcleos.

Curtis Mullen, director técnico de la compañía, dice que el diseño y las pruebas están casi completos para un nuevo UAV eléctrico de múltiples rotores. Con 3 m de longitud y un peso de unos 15 kg, está construido enteramente a partir de compuestos de fibra de carbono, a excepción de la electrónica. “El chasis es una estructura monocasco autoalineable hecha de placa de carbono con fresado CNC”, informa Mullen. El carbono tubular de diferente orientación y módulos de fibra, dependiendo de las cargas locales, comprende el resto de la estructura. En CW Julio, tiempo de publicación, la compañía planeaba completar la construcción y las pruebas de vuelo en el período de junio / julio y presentar Venturer al mercado a finales de 2018.

Drones en cola de milano con impresión 3D

Dado el rápido desarrollo de la tecnología de drones, no debería sorprender que los constructores de drones hayan impulsado la fabricación aditiva de compuestos. Los diseñadores de drones no solo están utilizando impresoras 3D de gran formato para realizar la creación rápida de prototipos para la que se concibieron los procesos, sino también, a medida que esos procesos evolucionan, para proporcionar herramientas y piezas terminadas, para cumplir con los rápidos tiempos de respuesta requeridos por los fabricantes de equipos originales de drones. .

Impossible Objects (Northbrook, IL), por ejemplo, se asoció recientemente con Aurora Flight Sciences (Manassas, VA) para imprimir en 3D un soporte estabilizador trasero de 76 por 38 mm de polietileno de alta densidad (HDPE) reforzado con picado de 25,4 mm. fibras de carbono, utilizando su tecnología de fabricación aditiva basada en compuestos (CBAM). La pieza se instaló en un nuevo avión en desarrollo en ese momento, reemplazando una pieza hecha de nailon no reforzado que se estaba rompiendo. Aunque la tecnología de fabricación aditiva se ha utilizado con frecuencia para hacer prototipos o probar piezas, el director ejecutivo de Impossible Objects, Larry Kaplan, dice que la compañía está trabajando actualmente para asegurar varias aplicaciones comerciales de mayor volumen para piezas en drones. Los detalles de las aplicaciones aún no se pueden detallar, pero Kaplan informa que involucrarán nuevos materiales de fibra de carbono / nailon y fibra de carbono / PEEK resistentes a altas temperaturas que la compañía ha desarrollado. "Somos el único fabricante de aditivos compuestos con un material PEEK reforzado", afirma Kaplan, y señala que los materiales con resistencia a altas temperaturas tienen cada vez más demanda para piezas y moldes.

El proveedor de impresoras Stratasys Inc. (Eden Prairie, MN, EE. UU.) Se está asociando con proveedores de materiales y fabricantes de aviones no tripulados / aeroespaciales en el desarrollo continuo y la comercialización de sus tecnologías de herramientas impresas en 3D para el moldeo de piezas compuestas. Timothy Schniepp, director senior de soluciones compuestas de Stratasys, dice que las máquinas de modelado por deposición fundida (FDM) de la empresa pueden producir la mayoría de las herramientas en dos o tres días o menos, lo que significa que un cliente puede moldear piezas en menos de una semana. El material de alta temperatura de la compañía, Ultem 1010, una polieterimida (PEI) fabricada por SABIC (Pittsfield, MA, EE. UU.), Es un material sin relleno de uso general adecuado para la fabricación de todas las herramientas de laminado, incluidas las herramientas esterilizadas en autoclave a temperaturas superiores. a 300 ° F.

Swift Engineering Inc. (San Clemente, CA, EE. UU.) Utilizó FDM y Ultem 1010 para fabricar mitades emparejadas de un molde de compresión para las palas de la hélice epoxi reforzada con fibra de carbono de un UAV. Las herramientas de 356 por 102 por 51 mm tomaron 30 horas de tiempo de construcción y se lijaron y sellaron manualmente con un epoxi de dos componentes, lo que produjo un acabado superficial Ra (rugosidad promedio) de aproximadamente 0,4 µm.

Rock West Composites (West Jordan, UT, EE. UU.) Está colaborando con Stratasys para validar algunos de los diseños de herramientas moldeando piezas de prueba. Adrian Corbett, director de desarrollo comercial de la empresa, señala que la industria de los drones está incorporando más piezas impresas en 3D en sus productos, y las herramientas impresas en 3D ofrecen una clara ventaja en comparación con las herramientas de mecanizado de epoxi u otros materiales de herramientas. “Esto le permite hacer una pieza tan rápido como puede imprimir la herramienta”, dice.

En resumen, ha surgido una nueva era prolífica de drones y está aquí. Afortunadamente, para muchos en la industria de los compuestos, el cambio, en este caso, es bueno.