VANTs Compósitos Revolucionam Tecnologia de Drones

Mudança, melhor, mudança rápida. Isso melhor caracteriza o estado atual de design e manufatura de veículos aéreos não tripulados (VANTs). Uma grande mudança é a terminologia. VANTs agora são drones, e a tecnologia de drones, em um momento quase exclusivamente confinada a missões militares, está desafiando definições limitantes e encontrando uso em hosts de aplicações industriais, comerciais e de consumo de ponta. Não mais limitados a controle por humanos no solo, drones também estão moldando o destino da tecnologia autônoma — o que será e como pode ser usada.

No radar: Drones para comunicação, automação

Uma das grandes promessas do uso de compósitos em drones é como habilitador para sistemas persistentes de longa duração que fornecem acesso WiFi de Internet de ampla área. Idealmente, tais drones seriam movidos a energia solar e capazes de servir áreas terrestres de muitas milhas quadradas com acesso à Internet ininterrupto por semanas a fio. Existem pelo menos dois programas perseguindo esta tecnologia, e resultados até agora são promissores, se mistos.

Um é o trabalho da gigante de mídia social Facebook (Menlo Park, CA, EUA), e o outro, um produto do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT, Cambridge, MA, EUA). Cada um construiu e voou protótipos e visa alcançar durações de voo de VANT sem precedentes com designs radicalmente novos, que, por necessidade, esperam maximizar as vantagens de compósitos avançados.

Em desenvolvimento desde 2014, o Aquila do Facebook (Fig. 1), um drone solar de quatro hélices todo em compósito de fibra de carbono, foi testado em voo duas vezes. Em 2016, ficou aloft por 96 minutos abaixo de 305 m, e no ano passado, voou por cerca de 106 minutos, atingindo altitude de 914,4 m. O Aquila é destinado a grandes coisas: a base de clientes alvo declarada do Aquila são os vários bilhões de pessoas ao redor do mundo sem acesso online confiável. Dada a enorme escala geográfica, o drone deve ser capaz de voo muito longo e ininterrupto, e isso, por sua vez, tem consequências profundas para os parâmetros de design e desempenho de voo do Aquila. O Facebook deve construir e lançar aeronaves pilotadas capazes de voo contínuo por meses e em altitudes muito altas — 60.000-90.000 ft (18.290-27.430 m). Nesta altura, o drone pode fornecer cobertura WiFi sobre cerca de 60 milhas quadradas. Quando a tecnologia for aperfeiçoada, o CEO do Facebook, Mark Zuckerberg, afirmou que pretende construir uma frota dos drones.

Embora esta seja potencialmente uma boa notícia para a indústria de compósitos, o Facebook liberou poucos detalhes específicos de engenharia sobre o Aquila ou os materiais de fibra de carbono e laminado usados para construí-lo. A CW soube que a versão testada em voo tem "envergadura mais larga que um Boeing 737", o que a coloca na faixa de 110 ft (±34 m). Dispensando o peso e arrasto extra de trem de pouso convencional, o Aquila também é equipado com um "tapete de pouso" de Kevlar colado na parte inferior dos pods de motor, uma razão pela qual pesa apenas cerca de 1.000 lb (454 kg), com aproximadamente metade dessa massa contabilizada por baterias. Zuckerberg, no entanto, deixou claro que o drone precisa ser feito ainda mais leve.

Ao viajar contra o vento, o drone voa, por design, a uma velocidade terrestre de apenas 10-15 mph, o que o mantém centrado sobre a área alvo destinada a receber sinal. O sistema de comunicações usará lasers para transferir dados, que é cerca de 10 vezes mais rápido que fibra óptica terrestre. Na segunda versão do drone, voada mais recentemente, um material de revestimento não especificado aplicado às asas criou um "acabamento mais liso" e é creditado por dobrar sua taxa de subida para 54,9 m/min, comparado à taxa de subida do primeiro drone. Dito isso, resta ver se as ambiciosas metas de duração de voo do Aquila podem ser atendidas usando apenas energia solar. Os principais desafios do projeto na próxima fase, de acordo com posts no site Aquila do Facebook, são eficiência de painel solar, armazenamento de bateria e alcançar paradigmas de custo aceitáveis para operação. O Facebook diz que pretende expandir o programa de testes para incluir drones com diferentes "fatores de forma, tamanhos e pesos", e voar para altitudes mais altas na próxima rodada de voos de teste.

Enquanto isso, uma equipe de engenheiros do MIT projetou, construiu e testou um VANT com envergadura de 24 ft (7,32 m), fabricado inteiramente de compósitos reforçados com fibra de carbono e Kevlar (Fig. 2). O objetivo do projeto de desenvolvimento do VANT, apelidado Jungle Hawk Owl e financiado pela Força Aérea dos EUA (Gateways Branch, AFLCMC/HNAG, Hanscom Air Force Base, Bedford, MA, EUA), é um pouco mais modesto que o do Aquila do Facebook. A meta é construir um drone capaz de permanecer aloft por cinco ou mais dias, em latitudes geográficas altas e baixas, em todas as estações, a uma altitude de aproximadamente 4.572 m. Tal drone seria projetado para atuar como hub de comunicações, fornecendo conexões temporárias de Internet/telefone sobre uma grande área no caso de uma interrupção de energia ou serviço em larga escala.

O design do drone foi modelado em um planador, com perfil aerodinâmico tipicamente fino. A primeira versão em escala real, testada em voo no ano passado a altitude máxima de 122 m, tem espessura de asa de 42,4 mm afinando para 20,8 mm, e peso total vazio de apenas 12,7 kg. Após pequenos ajustes na aeronave e seu sistema de lançamento em teto automotivo estarem completos, testes de voo em alta altitude estão programados para este verão, com o drone carregando uma carga útil completa de equipamentos de comunicação e combustível, pesando até 45,4 kg.

John Hansman, professor de aeronáutica e astronáutica no MIT e um dos supervisores da pesquisa estudantil, uma colaboração entre MIT e MIT Lincoln Laboratory (Lexington, MA, EUA), relata que as asas compreendem um núcleo sanduíche moldado em processo de duas etapas. Para alcançar a precisão aerodinâmica necessária, a pele superior da asa foi moldada separadamente, via infusão a vácuo, de uma camada de tecido de fibra de carbono unidirecional orientada 90° em relação ao comprimento da envergadura. Para fazer a pele inferior da asa, tampas de longarina de espessura variável foram moldadas de tecido unidirecional e colocadas no molde. Isopor foi então colocado ao redor e entre as tampas de longarina, e a pele inferior foi ensacada a vácuo no lugar contra a construção. A pele superior foi então ajustada à inferior e enrolada em fio 12K. Todos os tecidos foram infundidos com West Systems 105, um epóxi de baixa viscosidade fornecido pela Gougeon Bros. Inc. (Bay City, MI, EUA). Todos os moldes foram usinados CNC de espuma de poliuretano RenShape 440, fornecida pela Freeman Manufacturing & Supply Co. (Avon, OH, EUA).

Para fazer a fuselagem, que abriga seu motor a gasolina (ver Side Story "Drones: software MIT lança dúvida sobre VANTs movidos a solar") e tanque de combustível, a equipe usou um molde cilíndrico de concreto simples, aplicou duas camadas de tecido unidirecional, uma a 90° e outra a 45°, ao diâmetro interno do tubo, então usou um saco a vácuo toroidal posicionado através e ao redor do tubo, para infusão a vácuo do tecido, com a camada externa do laminado posicionada contra a parede interna do tubo. Para fabricar o cone de nariz, que contém a eletrônica de comunicações, um molde externo em forma de cone foi usinado em duas metades de espuma. Uma única camada de tecido Kevlar a 0° foi laminada nas metades do molde (que haviam sido coladas) e infundida a vácuo.

Drones — novos players na indústria

Drones estão tendo impacto no reino industrial, indo aerialmente onde é mais difícil e caro para trabalhadores e maquinário convencional, incluindo robôs, irem.

Uma aplicação com futuro potencialmente enorme é inspeção de segurança de pás de vento envelhecidas. VANTs equipados com câmeras para vigilância militar foram um dos primeiros usos da tecnologia. Hoje, drones equipados com câmeras especiais, e operados autonomamente por software extremamente sofisticado, podem inspecionar pás de rotor de uma turbina eólica gigante em apenas 15 minutos (inspeção por humano pode levar um dia inteiro), e encaminhar evidência visual de dano a um portal Web para visualização na tela por inspetores em ambientes mais confortáveis. A CW cobriu este fenômeno crescente de negócios baseados em drones em sua edição de maio (ver "Serviço & reparo: Otimizando impacto de energia eólica na rede").

Um grupo de pesquisadores do Instituto de Estruturas de Construção e Design Estrutural e Instituto de Design Computacional da Universidade de Stuttgart (Stuttgart, Alemanha) demonstrou um método novo e inteligente de usar drones em combinação com robôs industriais para fabricar uma estrutura compósita de longo vão via processo de enrolamento de fibra. Enrolamento colaborativo, como é chamado, envolve o uso de dois robôs industriais estacionários e um drone ou VANT "intermediário" leve personalizado para fabricar estruturas de longo vão no espaço intersticial entre os robôs (Fig. 3). Em termos simples, o layout de fabricação estabelece uma divisão de trabalho favorável que capitaliza nos pontos fortes de ambas as máquinas — os robôs são usados para colocar precisamente o roving impregnado com resina no quadro de enrolamento, enquanto o drone transporta a fibra dos carretéis para cada um dos braços robóticos, contornando assim a limitação imposta no tamanho da peça pelo envelope de alcance do efetor final do robô. Até agora, a alternativa principal para fabricar peças grandes excedendo o alcance do robô era construir a peça por modularização, um processo menos que ideal, especialmente se a estrutura fabricada é de suporte de carga.

O projeto foi trabalho de oito pesquisadores na Universidade e é resumido no artigo "Multi-Machine Fabrication", publicado na edição de novembro de 2017 da Acadia, um jornal de arquitetura de interiores e design espacial. A célula de trabalho compreendia dois robôs KUKA (Augsburg, Alemanha) KR 210 R3100 Ultra de 6 eixos, equipados com extensões de aço, garras hidráulicas para segurar o efetor de enrolamento do VANT, e uma câmera infravermelha usada para sincronizar as localizações do robô com o VANT. Um mecanismo de tensão personalizado, baseado em dispositivos de tensão usados em aplicações de extrusão e laminação, fornece controle sobre a tensão da fibra conforme é passada da fonte de fibra para o VANT ou robô.

James Solly, um dos pesquisadores do projeto, diz que o design final do drone personalizado foi derivado de quatro protótipos anteriores, em um processo de design que permitiu à equipe otimizar o peso do drone e estabilizar seu comportamento de voo. Peças para o corpo do drone foram usinadas de chapa de carbono padrão, enquanto os braços do craft foram fabricados de tubos de carbono de 20 mm. Outras peças menores, como conectores e espaçadores, foram impressas em 3D de ácido polilático (PLA). Dimensões do drone são aproximadamente 92 por 92 por 31 cm e o veículo pode transportar uma carga útil de cerca de 2 kg.

Para enrolar um único ponto de ancoragem, o braço do robô viaja ao redor do quadro de enrolamento com a fibra impregnada elevada acima do laminado. Ao atingir o ponto de ancoragem, o robô enrola a fibra ao redor, então retorna o efetor de enrolamento à plataforma de pouso onde o VANT está esperando. Após a troca confirmada, o mecanismo de tensão muda para baixa tensão, e o drone carrega a fibra desenrolando para a próxima plataforma robótica. Os pesquisadores usaram a célula robô-drone para fabricar um demonstrador de console de 12 m de comprimento como exemplo da forma e tamanho de peças que não poderiam ter sido produzidas por configuração tradicional de enrolamento automatizado de fibra (Fig. 4). A peça compreendia roving de vidro contínuo de extremidade única, SE1500-2400tex doado pela Lange+Ritter GmbH (Gerlingen, Alemanha) e fio contínuo de fibra de carbono SIGRAFIL, CT50-4.0/240-E100, doado pela SGL Technologies GmbH (Wiesbaden, Alemanha). Fibras foram pré-impregnadas com resina epóxi EPIKOTE MGS LR 135 formulada com agente de cura EPIKURE MGS LH 138, fornecida pela Hexion (Columbus, OH, EUA). A peça foi fabricada usando fibras pré-impregnadas e fibras secas impregnadas em banho de resina fiber-dip. Solly relata que o processo demonstrado pelo projeto é mais adequado para produzir estruturas horizontais com longos vãos entre suportes verticais, como tetos de salões de baile ou pontes para pedestres nas quais a redução de peso próprio pode gerar reduções significativas de materiais usados e custo. Ele relata que ele e seus colegas elaborarão sobre o processo e suas aplicações com um artigo sendo apresentado na próxima conferência International Association for Shell and Spatial Structures (IASS 2018), 16-20 de julho, Boston, MA, EUA.

Em outro projeto relacionado à indústria, uma equipe de pesquisa no MIT Media Lab está investigando o uso de drones para localizar e identificar estoque de armazém via tags de identificação por radiofrequência (RFID). Uma necessidade de melhorias em práticas de contabilidade de estoque, trazida pelo aumento na escala de operações modernais de armazém e envio, tem sido reconhecida há algum tempo. Escaneamento manual é laborioso, caro e propenso a erros. A Walmart, por exemplo, relatou em 2013 perda de mais de US$ 3 bilhões em receita devido a discrepâncias entre seus registros de estoque e seu estoque real.

A equipe do MIT desenvolveu com sucesso um protótipo que permite pequenos drones leves com rotores de plástico flexível — o único tipo aprovado para uso em proximidade de humanos — a ler tags RFID de dezenas de metros de distância enquanto identificam as localizações das tags com erro médio de cerca de 19 cm.

Os drones Bebop-2 usados no estudo são fabricados pela Parrot Corp. (Paris, França). Projetados especificamente para exibir baixa vibração para aplicações como fotografia, o drone apresenta fuselagem feita de náilon Grilamid TR reforçado com vidro, fornecido pela EMS-CHEMIE AG (Domat/Ems, Suíça). Cada drone pesa cerca de 500 g e pode voar autonomamente por cerca de 25 minutos. Embora aprovados para uso perto de pessoas, os drones são muito pequenos para carregar um leitor RFID com alcance de mais de alguns centímetros. Em vez disso — esta é a descoberta chave da pesquisa — os drones são usados para retransmitir sinais emitidos por um leitor RFID padrão para uma tag RFID. Quando o sinal atinge a tag, a tag então codifica seu identificador no sinal antes de enviá-lo de volta ao drone. O drone encaminha o sinal ao leitor, que decodifica o identificador, e assim o item e localização do item. A equipe está atualmente trabalhando para melhorar a precisão do mecanismo de localização em distâncias maiores, bem como formas de melhorar a velocidade e escalabilidade do processo.

Inovação impulsionando novas aplicações de drones

Fornecedores de materiais, fabricantes de impressão 3D contratados e fornecedores de equipamentos de impressão relatam negócios crescentes de fabricantes de drones, e estão desenvolvendo novos produtos e capacidades para atender este negócio.

A Clearwater Composites LLC (Duluth, MN, EUA) produz uma linha de tubos e chapas de fibra de carbono que fornece a fabricantes de equipamentos industriais, robótica, aeroespacial, artigos esportivos e VANTs. Tubos, em variedade de formas, são feitos principalmente por enrolamento de pré-impregnado epóxi de fibra de carbono unidirecional em um mandril, com cura a 250 °C. Os tubos são feitos em graus padrão, alto e ultra-alto módulo, este último feito de fibras de pitch. A empresa fabrica chapas em uma gama de espessuras, em folhas até 1,2 m por 2,4 m, de materiais similares via moldagem por compressão ou infusão a vácuo. O presidente Jeff Engbrecht diz que seus clientes VANT são tipicamente empresas baseadas na América do Norte que projetam e constroem VANTs para aplicações industriais e aeroespaciais de alto nível.

A Clearwater, relata ele, está fornecendo a um de seus clientes, um designer e fabricante de VANT/drone, com um tubo customizado, cônico, de parede fina (0,03 pol/0,76 mm), feito de fibra de carbono de alto módulo M46J da Toray Industries (Tóquio, Japão). O tubo, para uma aplicação nova não especificada, é redondo em uma extremidade, então afina para forma oval na outra extremidade.

A Stratus Aeronautics (Burnaby, BC, Canadá) fabrica drones usados principalmente para realizar levantamentos magnéticos e aéreos em pesquisa científica, mineração, militar e outras aplicações. Projetados e construídos em configurações asa fixa e multi-rotor, esses drones de levantamento fornecem vantagens de custo significativas sobre aeronaves pilotadas.

O Venturer UAV de asa fixa da empresa (Fig. 5) é uma aeronave pequena e leve, alimentada por motor a gás de dois tempos de 100 cc e capaz de missões de longa duração (>10 hr) — não uma possibilidade com aeronave pilotada.

O avião apresenta fuselagem moldada de pré-impregnado de fibra de carbono, asas compreendendo semi-monocoque com núcleos de espuma, e fuselagem monocoque sem núcleos.

Curtis Mullen, diretor técnico da empresa, diz que design e testes estão quase completos para um novo UAV multi-rotor elétrico. Com 3 m de comprimento e pesando cerca de 15 kg, exceto pela eletrônica, é construído inteiramente de compósitos de fibra de carbono. "O chassi é uma estrutura monocoque auto-alinhante feita de chapa de carbono roteada CNC", relata Mullen. Tubular de carbono de orientação e módulos de fibra variáveis, dependendo de cargas locais, compõe o resto da estrutura. No momento do fechamento da CW em julho, a empresa planejava completar construção e testes de voo no período junho/julho e introduzir Venturer ao mercado no final de 2018.

Drones se alinham com impressão 3D

Dado o desenvolvimento rápido da tecnologia de drones, não deve surpreender que construtores de drones tenham fornecido o impulso para manufatura aditiva de compósitos. Designers de drones não estão apenas usando impressoras 3D de grande formato para fazer a prototipagem rápida para a qual os processos foram concebidos inicialmente, mas também, à medida que esses processos evoluem, para fornecer ferramentas e peças finalizadas também, para atender aos prazos rápidos exigidos por OEMs de drones.

A Impossible Objects (Northbrook, IL), por exemplo, recentemente fez parceria com a Aurora Flight Sciences (Manassas, VA) para imprimir em 3D uma montagem de estabilizador traseiro de 76 por 38 mm de polietileno de alta densidade (PEAD) reforçado com fibras de carbono picadas de 25,4 mm, usando sua tecnologia Composite-Based Additive Manufacturing (CBAM). A peça foi instalada em uma nova aeronave em desenvolvimento na época, substituindo uma peça feita de náilon não reforçado que estava quebrando. Embora tecnologia de manufatura aditiva tenha sido frequentemente usada para fazer peças de protótipo ou teste, o CEO da Impossible Objects, Larry Kaplan, diz que a empresa está trabalhando atualmente em garantir várias aplicações comerciais de maior volume para peças em drones. Detalhes das aplicações não podem ser detalhados ainda, mas Kaplan relata que envolverão novos materiais de náilon/fibra de carbono resistentes a alta temperatura e PEEK/fibra de carbono que a empresa desenvolveu. "Somos o único fabricante aditivo de compósitos com material PEEK reforçado", afirma Kaplan, notando que materiais com alta resistência a temperatura estão cada vez mais em demanda para peças e moldes.

Fornecedora de impressoras Stratasys Inc. (Eden Prairie, MN, EUA) está fazendo parceria com fornecedores de materiais e fabricantes aeroespaciais/drones no desenvolvimento contínuo e comercialização de suas tecnologias de ferramentas impressas em 3D para moldagem de peças compósitas. Timothy Schniepp, diretor sênior de soluções compósitas na Stratasys, diz que as máquinas de modelagem por deposição fundida (FDM) da empresa podem produzir a maioria das ferramentas em dois a três dias ou menos, significando que um cliente pode estar moldando peças em menos de uma semana. O material de alta temperatura da empresa, Ultem 1010, uma poliéterimida (PEI) fabricada pela SABIC (Pittsfield, MA, EUA), é um material de propósito geral, não carregado, adequado para fabricação de todas as ferramentas de laminação, incluindo ferramentas autoclavadas a temperaturas até 300 °F.

A Swift Engineering Inc. (San Clemente, CA, EUA) usou FDM e Ultem 1010 para fabricar metades combinadas de um molde de compressão para pás de hélice de epóxi reforçado com fibra de carbono de um VANT. As ferramentas de 356 por 102 por 51 mm levaram 30 horas de tempo de construção e foram manualmente abrasadas e seladas com epóxi de duas partes, resultando em acabamento superficial Ra (rugosidade média) de aproximadamente 0,4 µm.

A Rock West Composites (West Jordan, UT, EUA) está colaborando com a Stratasys para validar alguns dos designs de ferramentas moldando peças de teste. Adrian Corbett, diretor de desenvolvimento de negócios na empresa, nota que a indústria de drones está incorporando mais peças impressas em 3D em seus produtos, e ferramentas impressas em 3D oferecem vantagem clara comparada a usinar ferramentas de epóxi ou outros materiais de ferramentas. "Isso permite que você faça uma peça tão rápido quanto pode imprimir a ferramenta", ele diz.

Em resumo, uma nova era prolífica de drones emergiu e está aqui. Felizmente, para muitos na indústria de compósitos, mudança, neste caso, é boa.