Los UAVs de compuestos revolucionan la tecnología de drones

Cambio, mejor aún, cambio rápido. Esto caracteriza mejor el estado actual del diseño y fabricación de vehículos aéreos no tripulados (UAV). Un gran cambio es la terminología. Los UAVs ahora son drones, y la tecnología de drones, en un momento casi exclusivamente confinada a misiones militares, está desafiando definiciones limitantes y encontrando uso en numerosas aplicaciones industriales, comerciales y de consumo de vanguardia. Ya no limitados al control por humanos en tierra, los drones también están moldeando el destino de la tecnología autónoma —qué será y cómo puede usarse.

En el radar: Drones para comunicación, automatización

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

Uno es el trabajo del gigante de 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 busca lograr duraciones de vuelo de UAV sin precedentes con diseños radicalmente nuevos, que, por necesidad, esperan maximizar las ventajas de compuestos avanzados.

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

Aunque esto es potencialmente buena noticia para la industria de compuestos, Facebook ha publicado pocos detalles de ingeniería específicos sobre el Aquila o los materiales de fibra de carbono y laminado usados para construirlo. CW ha sabido que la versión probada en vuelo tiene una "envergadura más ancha que un Boeing 737", lo que la sitúa en el rango de 110 pies (±34 m). Prescindiendo del peso y arrastre extra de tren de aterrizaje convencional, el Aquila también está equipado con una "plataforma de aterrizaje" de Kevlar unida a la base de las góndolas de motor, una razón por la que solo pesa unas 1.000 lb (454 kg), con aproximadamente la mitad de esa masa en baterías. Zuckerberg, sin embargo, ha dejado claro que el dron necesita ser aún más ligero.

Al viajar contra el 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 señal. El sistema de comunicaciones usará láseres para transferir datos, unas 10 veces más rápido que la fibra óptica terrestre. En la segunda versión del dron, volada más recientemente, un material de recubrimiento no especificado aplicado a las alas creó un "acabado más suave" y se le atribuye duplicar su tasa de ascenso a 54,9 m/min, comparado con la tasa de ascenso del primer dron. Queda por ver si los ambiciosos objetivos de duración de vuelo del Aquila pueden cumplirse usando solo energía solar. Los principales desafíos del proyecto en la próxima fase, según publicaciones en el sitio de Facebook Aquila, son eficiencia de paneles solares, almacenamiento de baterías y lograr paradigmas de coste aceptables para operación. Facebook dice que pretende expandir el programa de pruebas 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 envergadura de 24 pies (7,32 m), fabricado enteramente de compuestos reforzados con fibra de carbono y Kevlar (Fig. 2). El objetivo del proyecto de desarrollo de UAV, bautizado Jungle Hawk Owl y financiado por la Fuerza Aérea de EE. UU. (Rama Gateways, AFLCMC/HNAG, Base Aérea Hanscom, Bedford, MA, EE. UU.), es un poco más modesto que el del Aquila de Facebook. La meta es construir un dron capaz de mantenerse en el aire cinco o más días, en latitudes geográficas altas y bajas, en todas las estaciones, a una altitud de aproximadamente 4.572 m. Tal dron estaría diseñado para actuar como centro de comunicaciones, proporcionando conexiones temporales de Internet/teléfono sobre un área grande en caso de corte generalizado de energía o servicio.

El diseño del dron se modeló en un planeador, con perfil aerodinámico típicamente delgado. La primera versión a escala real, probada en vuelo el año pasado a 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. Tras ajustes menores al avión y su sistema de lanzamiento en techo de vehículo automotriz, pruebas de vuelo a gran altitud están programadas para este verano, con el dron llevando una carga útil completa de equipo de comunicaciones y combustible, pesando hasta 45,4 kg.

John Hansman, profesor de aeronáutica y astronáutica en MIT y uno de los supervisores de la investigación estudiantil, una colaboración entre MIT y el Laboratorio Lincoln del MIT (Lexington, MA, EE. UU.), informa que las alas comprenden un sándwich de núcleo moldeado en proceso de dos pasos. Para lograr la precisión aerodinámica necesaria, la piel superior del ala se moldeó por separado, vía infusión al vacío, desde una capa de tejido de fibra de carbono unidireccional orientada 90° a la longitud de la envergadura. Para hacer la piel inferior, tapas de larguero de grosor variable se moldearon desde tejido unidireccional y se colocaron en el molde. Luego se colocó espuma de poliestireno alrededor y entre las tapas de larguero, y la piel inferior se bolsó al vacío contra la construcción. La piel superior se ajustó luego a la inferior y se envolvió en tow de 12K. Todos los tejidos se infundieron con West Systems 105, epoxi de baja viscosidad suministrado por Gougeon Bros. Inc. (Bay City, MI, EE. UU.). Todos los moldes se mecanizaron CNC desde espuma de poliuretano RenShape 440, suministrada por Freeman Manufacturing & Supply Co. (Avon, OH, EE. UU.).

Para hacer el fuselaje, que alberga su motor de gasolina (ver historia lateral "Drones: software del MIT duda de UAVs solares") y tanque de combustible, el equipo usó un molde cilíndrico de hormigón simple, aplicó dos capas de tejido unidireccional, una a 90° y otra a 45°, al diámetro interior del tubo, luego usó una bolsa de vacío toroidal posicionada a través y alrededor del tubo, para infundir al vacío el tejido, con la capa exterior del laminado contra la pared interior del tubo. Para fabricar el cono frontal, que contiene la electrónica de comunicaciones, un molde cónico externo se mecanizó en dos mitades desde espuma. Una sola capa de tejido de Kevlar a 0° se estratificó en las mitades del molde (que habían sido unidas) e infundió al vacío.

Drones — nuevos actores en la industria

Los drones están teniendo impacto en el ámbito industrial, yendo aérea donde es más difícil y costoso para trabajadores y maquinaria convencional, incluyendo robots, ir.

Una aplicación con futuro potencialmente enorme es la inspección de seguridad de palas de aerogeneradores envejecidas. UAVs equipados con cámaras para vigilancia militar fueron uno de los primeros usos de la tecnología. Hoy, drones equipados con cámaras especiales, operados autónomamente por software extremadamente sofisticado, pueden inspeccionar las palas de rotor de un aerogigante en tan solo 15 minutos (la inspección humana puede tomar un día entero), y enviar evidencia visual de daño a un portal web para visualización en pantalla por inspectores en entornos más cómodos. CW cubrió este fenómeno creciente de negocio basado en drones en su número de mayo (ver "Servicio y reparación: Optimizando el impacto en red de la energía eólica").

Un grupo de investigadores del Instituto de Estructuras de Edificios y Diseño Estructural y el Instituto de Diseño Computacional de la Universidad de Stuttgart (Stuttgart, Alemania) han demostrado un método novedoso e ingenioso de usar drones en combinación con robots industriales para fabricar una estructura compuesta de gran luz vía proceso de bobinado de fibra. El bobinado colaborativo, como se llama, implica el uso de dos robots industriales estacionarios y un dron/UAV "intermediario" personalizado y ligero para fabricar estructuras de gran luz en el espacio intersticial entre los robots (Fig. 3). En términos simples, el layout de fabricación establece una división de trabajo favorable que capitaliza las fortalezas de ambas máquinas —los robots se usan para colocar con precisión el roving impregnado de resina en el marco de bobinado, mientras el dron transporta la fibra de las bobinas a cada brazo robótico, eludiendo así la limitación impuesta al tamaño de pieza por el alcance del efector final del robot. Hasta ahora, la alternativa principal para fabricar piezas grandes que exceden el alcance del robot era construir la pieza por modularización, proceso menos que ideal, especialmente si la estructura fabricada es portante.

El proyecto fue trabajo de ocho investigadores en la Universidad y se resume en el artículo "Multi-Machine Fabrication", publicado en la edición de noviembre 2017 de Acadia, revista de arquitectura interior y diseño espacial. La celda de trabajo comprendía dos robots KUKA (Augsburg, Alemania) KR 210 R3100 Ultra de 6 ejes, equipados con extensiones de acero, pinza hidráulica para agarrar el efector de bobinado del UAV, y cámara infrarroja para sincronizar las ubicaciones del robot con el UAV. Un mecanismo de tensión personalizado, basado en dispositivos de tensión usados en aplicaciones de extrusión y laminado, proporciona control sobre la tensión de la fibra al pasar de la fuente al UAV o robot.

James Solly, uno de los investigadores del proyecto, dice que el diseño final del dron personalizado derivó de cuatro prototipos previos, en un proceso de diseño que permitió al equipo optimizar el peso del dron y estabilizar su comportamiento de vuelo. Piezas del cuerpo del dron se mecanizaron desde placa de carbono estándar, mientras los brazos se fabricaron con tubos de carbono de 20 mm. Otras piezas menores, como conectores y separadores, se imprimieron en 3D desde ácido poliláctico (PLA). Dimensiones del dron: aprox. 92 x 92 x 31 cm y el vehículo puede transportar carga de unos 2 kg.

Para bobinar un punto de anclaje, el brazo del robot recorre el marco de bobinado con la fibra impregnada elevada sobre el laminado. Al alcanzar el punto de anclaje, el robot bobina la fibra alrededor, luego devuelve el efector de bobinado a la plataforma de aterrizaje donde espera el UAV. Tras confirmar el intercambio, el mecanismo de tensión cambia a baja tensión, y el dron transporta la fibra desenrollada a la siguiente plataforma robótica. Los investigadores usaron la celda robot-drone para fabricar un voladizo demostrador de 12 m de largo como ejemplo de forma y tamaño de piezas que no podrían producirse con configuración tradicional de bobinado automático de fibra (Fig. 4). La pieza comprendía roving de vidrio continuo de un extremo, SE1500-2400tex donado por Lange+Ritter GmbH (Gerlingen, Alemania) y tow de fibra de carbono continua SIGRAFIL, CT50-4.0/240-E100, donado por SGL Technologies GmbH (Wiesbaden, Alemania). Las fibras se preimpregnaron con resina epoxi EPIKOTE MGS LR 135 formulada con agente de curado EPIKURE MGS LH 138, suministrado por Hexion (Columbus, OH, EE. UU.). La pieza se fabricó usando fibras preimpregnadas y fibras secas impregnadas en baño de resina para inmersión de fibra. Solly informa que el proceso demostrado por el proyecto es más adecuado para producir estructuras horizontales con grandes luces entre soportes verticales, como techos de salones o puentes peatonales en los que la reducción de peso propio puede esperarse que produzca reducciones significativas de materiales y coste. Informa que él y sus colegas elaborarán sobre el proceso y sus aplicaciones con un artículo en la próxima conferencia de la International Association for Shell and Spatial Structures (IASS 2018), 16-20 julio, Boston, MA, EE. UU.

En otro proyecto relacionado con la industria, un equipo de investigación del MIT Media Lab investiga el uso de drones para localizar e identificar inventario de almacén vía etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID). Una necesidad de mejoras en prácticas de contabilidad de inventario, provocada por el aumento de escala de operaciones modernas de almacén y envío, ha sido reconocida desde hace tiempo. El escaneo manual es laborioso, costoso y propenso a errores. Walmart, por ejemplo, reportó en 2013 perder más de 3.000 millones USD en ingresos debido a discrepancias entre sus registros de inventario y su stock real.

El equipo del MIT ha desarrollado con éxito un prototipo que permite a pequeños drones ligeros con rotores de plástico flexible —el único tipo aprobado para uso cerca de humanos— leer etiquetas RFID desde decenas de metros mientras identifican las ubicaciones de las etiquetas con error medio de unos 19 cm.

Los drones Bebop-2 usados en el estudio son fabricados por Parrot Corp. (París, Francia). Diseñados específicamente para exhibir baja vibración para aplicaciones como fotografía, el dron tiene un fuselaje de nailon Grilamid TR reforzado con vidrio, suministrado por EMS-CHEMIE AG (Domat/Ems, Suiza). Cada dron pesa unos 500 g y puede volar autónomamente unos 25 minutos. Aunque están aprobados para uso cerca de personas, los drones son demasiado pequeños para llevar un lector RFID con alcance de más de unos centímetros. En su lugar —este es el avance clave de la investigación— los drones se usan para retransmitir señales emitidas por un lector RFID estándar a una etiqueta RFID. Cuando la señal llega a la etiqueta, esta codifica su identificador en la señal antes de devolverla al dron. El dron reenvía la señal al lector, que decodifica el identificador, y así el artículo y su ubicación. El equipo trabaja actualmente para mejorar la precisión del mecanismo de localización a distancias mayores, así como formas de mejorar velocidad y escalabilidad del proceso.

Innovación impulsando nuevas aplicaciones de drones

Proveedores de materiales, fabricantes por contrato de impresión 3D y proveedores de equipos de impresión reportan negocio creciente de fabricantes de drones, y desarrollan nuevos productos y capacidades para servir este negocio.

Clearwater Composites LLC (Duluth, MN, EE. UU.) produce una línea de tubos y placas de fibra de carbono que suministra a fabricantes de equipos industriales, robótica, aeroespacial, artículos deportivos y UAVs. Tubos, en variedad de formas, se hacen principalmente por enrollado de prepreg epoxi de fibra de carbono unidireccional en mandril, con curado a 250 °C. Los tubos se hacen en grados estándar, alto y ultra-alto módulo, este último de fibras de pitch. La empresa fabrica placas en gama de espesores, en láminas hasta 1,2 m por 2,4 m, con materiales similares vía moldeo por compresión o infusión al vacío. El presidente Jeff Engbrecht dice que sus clientes UAV son típicamente empresas norteamericanas que diseñan y construyen UAVs para aplicaciones industriales y aeroespaciales de alta gama.

Clearwater, informa, suministra a uno de sus clientes, un diseñador y fabricante de UAV/drones, un tubo cónico personalizado de pared delgada (0,03 pulgadas / 0,76 mm), hecho de fibra de carbono de alto módulo M46J de Toray Industries (Tokio, Japón). El tubo, para una aplicación nueva no especificada, es redondo en un extremo, luego se estrecha a forma oval en el otro.

Stratus Aeronautics (Burnaby, BC, Canadá) fabrica drones usados principalmente para realizar estudios magnéticos y aéreos en investigación científica, minería, militar y otras aplicaciones. Diseñados y construidos en configuraciones de ala fija y multi-rotor, estos drones de estudio ofrecen ventajas de coste significativas sobre aviones tripulados.

El Venturer UAV de ala fija de la empresa (Fig. 5) es una aeronave pequeña y ligera, propulsada por motor de gas de dos tiempos de 100 cc y capaz de misiones de larga duración (>10 h) —no posible con avión tripulado. El avión presenta fuselaje moldeado de prepreg de fibra de carbono, alas con semi-monocasco con núcleos de espuma, y fuselaje monocasco sin núcleos.

Curtis Mullen, director técnico de la empresa, dice que diseño y pruebas están casi completos para un nuevo UAV multi-rotor eléctrico. A 3 m de largo y pesando unos 15 kg, es, excepto la electrónica, construido enteramente de compuestos de fibra de carbono. "El chasis es una estructura monocasco auto-alineante de placa de carbono fresada CNC", reporta Mullen. Tubulares de carbono de orientación y módulos de fibra variables, según cargas locales, componen el resto de la estructura. A fecha de cierre de CW julio, la empresa planeaba completar construcción y pruebas de vuelo en junio/julio e introducir Venturer al mercado a finales de 2018.

Drones e impresión 3D

Dado el rápido desarrollo de tecnología de drones, no sorprende que los constructores de drones hayan impulsado la fabricación aditiva de compuestos. Los diseñadores de drones no solo usan impresoras 3D de gran formato para el prototipado rápido para el que se concibieron los procesos, sino también, a medida que evolucionan, para proporcionar utillaje y piezas terminadas, para cumplir plazos de entrega rápidos requeridos por OEMs de drones.

Impossible Objects (Northbrook, IL), por ejemplo, se asoció recientemente con Aurora Flight Sciences (Manassas, VA) para imprimir en 3D un soporte de estabilizador trasero de 76 por 38 mm de polietileno de alta densidad (HDPE) reforzado con fibras de carbono picadas de 25,4 mm, usando su tecnología Composite-Based Additive Manufacturing (CBAM). La pieza se instaló en una aeronave nueva en desarrollo, reemplazando una pieza de nailon sin reforzar que se rompía. Aunque la fabricación aditiva se ha usado frecuentemente para hacer piezas de prototipo o prueba, el CEO de Impossible Objects, Larry Kaplan, dice que la empresa está trabajando actualmente en asegurar varias aplicaciones comerciales de mayor volumen para piezas en drones. Los detalles no pueden detallarse aún, pero Kaplan reporta que involucrarán nuevos materiales de nailon resistente a alta temperatura reforzado con fibra de carbono y fibra de carbono/PEEK que la empresa ha desarrollado. "Somos el único fabricante aditivo de compuestos con material PEEK reforzado", afirma Kaplan, señalando que materiales con alta resistencia térmica son cada vez más demandados para piezas y moldes.

El proveedor de impresoras Stratasys Inc. (Eden Prairie, MN, EE. UU.) se asocia con proveedores de materiales y fabricantes aeroespaciales/drones en el desarrollo y comercialización continuos de sus tecnologías de utillaje impreso en 3D para moldeo de piezas de compuestos. Timothy Schniepp, director senior, soluciones de compuestos en Stratasys, dice que las máquinas de modelado por deposición fundida (FDM) de la empresa pueden producir la mayoría de herramientas en dos o tres días o menos, lo que significa que un cliente puede estar moldeando piezas en menos de una semana. El material de alta temperatura de la empresa, Ultem 1010, una poliéterimida (PEI) fabricada por SABIC (Pittsfield, MA, EE. UU.), es un material de propósito general, sin relleno, adecuado para fabricar todo utillaje de estratificado, incluyendo herramientas autoclave hasta 300 °F.

Swift Engineering Inc. (San Clemente, CA, EE. UU.) usó FDM y Ultem 1010 para fabricar mitades emparejadas de un molde de compresión para palas de hélice de epoxi reforzado 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 abradaron manualmente y sellaron con epoxi de dos componentes, logrando acabado superficial Ra (rugosidad media) de aproximadamente 0,4 µm.

Rock West Composites (West Jordan, UT, EE. UU.) colabora con Stratasys para validar algunos diseños de herramientas moldeando piezas de prueba. Adrian Corbett, director de desarrollo de negocio en la empresa, señala que la industria de drones está incorporando más piezas impresas en 3D en sus productos, y las herramientas impresas en 3D ofrecen ventaja clara frente a mecanizar herramientas de epoxi u otros materiales de utillaje. "Esto te permite hacer una pieza tan rápido como puedas imprimir la herramienta", dice.

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