Drones:UAVs compostos decolam

Mudança, melhor ainda, mudança rápida. Isso caracteriza melhor o estado atual de projeto e fabricação de veículos aéreos não tripulados (UAV). Uma grande mudança é a terminologia. UAVs agora são drones , e a tecnologia de drones, ao mesmo tempo, quase exclusivamente confinada a missões militares, está desafiando as definições limitadoras e encontrando uso em hosts de aplicações industriais, comerciais e de consumo de ponta. Não mais limitados ao controle por humanos no solo, os drones também estão moldando o destino da tecnologia autônoma - o que ela será e como poderá ser usada.

No radar:Drones para comunicação, automação

Uma das grandes promessas do uso de compostos em drones é como um habilitador para sistemas persistentes de longa duração que fornecem acesso à Internet Wifi de área ampla. Idealmente, esses drones seriam movidos a energia solar e seriam capazes de servir áreas terrestres de muitos quilômetros quadrados com acesso ininterrupto à Internet por semanas a fio. Existem pelo menos dois programas que buscam essa tecnologia e os resultados até agora são promissores, embora mistos.

Um é o trabalho do gigante da 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 UAV sem precedentes com designs radicalmente novos, que, por necessidade, esperam maximizar as vantagens de compostos avançados.

Em desenvolvimento desde 2014, o Aquila do Facebook (Fig. 1), um drone de quatro hélices, composto inteiramente de fibra de carbono, movido a energia solar, foi testado duas vezes. Em 2016, esteve 96 minutos no ar abaixo dos 305m e, no ano passado, voou cerca de 106 minutos, atingindo uma altitude de 914,4m. O Aquila destina-se a grandes coisas: Aquila’s a base de clientes-alvo declarada é de vários bilhões pessoas em todo o mundo sem acesso online confiável. Dada a enorme escala geográfica, o drone deve ser capaz de um vôo muito longo e ininterrupto, e isso, por sua vez, tem profundas consequências para Aquila desempenho de voo e parâmetros de projeto. O Facebook deve construir e lançar aeronaves sem piloto, capazes de voar continuamente por meses e em altitudes muito elevadas - 60.000-90.000 pés (18.290-27.430m). A esta altura, o drone pode fornecer cobertura WiFi por cerca de 60 milhas quadradas. Quando a tecnologia for aperfeiçoada, o CEO do Facebook, Mark Zuckerberg, afirmou que pretende construir uma frota de drones.

Embora esta seja uma notícia potencialmente boa para a indústria de compósitos, o Facebook lançou poucos detalhes de engenharia específicos sobre o Aquila ou os materiais de fibra de carbono e laminado usados ​​para construí-lo . CW descobriu que a versão testada em voo tem uma “envergadura maior do que a de um Boeing 737”, o que a coloca na faixa de 110 pés (± 34m). Abandonando o peso extra e o arrasto do trem de pouso convencional, o Aquila também é equipado com uma “plataforma de pouso” de Kevlar colada à parte inferior dos pods do motor, um dos motivos pelos quais pesa apenas cerca de 1.000 libras (454 kg), com cerca de metade dessa massa sendo responsável pelas baterias. Zuckerberg, no entanto, deixou claro que o drone precisa ser 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 centralizado sobre a área-alvo destinada a receber o sinal. O sistema de comunicação usará lasers para transferir dados, o que é cerca de 10 vezes mais rápido do que a fibra óptica terrestre. Na segunda versão do drone, a mais recente voada, 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, em comparação com a taxa de subida do primeiro drone. Dito isso, resta saber se Aquila's metas ambiciosas de duração de voo podem ser alcançadas usando apenas energia solar. Os principais desafios do projeto na próxima fase, de acordo com postagens no Aquila No site do Facebook, são a eficiência do painel solar, o armazenamento da bateria e a obtenção de paradigmas de custo aceitáveis ​​para a operação. O Facebook afirma que pretende expandir o programa de teste para incluir drones com diferentes “fatores de forma, tamanhos e pesos” e voar para altitudes mais elevadas na próxima rodada de voos de teste.

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

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

John Hansman, professor de aeronáutica e astronáutica do MIT e um dos funcionários que supervisionam a pesquisa dos alunos, uma colaboração entre o MIT e o MIT Lincoln Laboratory (Lexington, MA, EUA), relata que as asas compreendem um sanduíche de núcleo moldado em dois processo da etapa. Para atingir a precisão aerodinâmica necessária, a pele da superfície superior da asa foi moldada separadamente, por meio de infusão a vácuo, de uma camada de tecido de fibra de carbono unidirecional orientado 90 ° ao comprimento da envergadura. Para fazer a pele de asa inferior, as longarinas de espessura variável foram moldadas a partir de tecido unidirecional e colocadas no molde. O isopor foi então colocado ao redor e entre as longarinas, e o revestimento inferior foi embalado a vácuo no lugar contra a construção. A pele superior foi então encaixada na parte inferior e embrulhada em estopa de 12K. Todos os tecidos foram infundidos com West Systems 105, um epóxi de baixa viscosidade fornecido por Gougeon Bros. Inc. (Bay City, MI, EUA). Todos os moldes foram usinados em CNC em espuma de poliuretano RenShape 440, fornecida pela Freeman Manufacturing &Supply Co. (Avon, OH, EUA).

Para fazer a fuselagem, que abriga seu motor a gasolina (veja a história lateral "Drones:o software MIT lança dúvidas sobre UAVs movidos a energia solar") e o tanque de combustível, a equipe usou um molde de concreto cilíndrico simples, aplicado duas camadas de tecido unidirecional, uma a 90 ° e um a 45 °, para o diâmetro interno do tubo, então use um saco de vácuo toroidal posicionado através e ao redor do tubo, para infundir o tecido a vácuo, com a camada externa do laminado posicionada contra a parede interna do tubo. Para fabricar o cone do nariz, que contém os eletrônicos de comunicação, um molde externo em forma de cônica foi feito em duas metades de espuma. Uma única camada de tecido 0 ° Kevlar foi colocada nas metades do molde (que foram coladas) e infundida a vácuo.

Drones - novos jogadores na indústria

Os drones estão tendo um impacto no reino industrial, indo de forma aérea onde é mais difícil e caro para os trabalhadores e para o maquinário convencional, incluindo robôs.

Uma aplicação com um futuro potencialmente enorme é a inspeção de segurança de pás eólicas envelhecidas. UAVs equipados com câmeras para vigilância militar foram um dos primeiros usos da tecnologia. Hoje, drones equipados com câmeras especiais e operados de forma autônoma por um software extremamente sofisticado, podem inspecionar as pás do rotor de uma turbina eólica gigante em apenas 15 minutos (a inspeção por um humano pode levar um dia inteiro), e fornecer evidências visuais de danos a um portal da Web para visualização na tela por inspetores em ambientes mais confortáveis. CW cobriu este fenômeno crescente de negócios baseados em drones em sua edição de maio (consulte “Serviço e reparo:Otimizando o impacto da rede de energia eólica”).

Um grupo de pesquisadores do Instituto de Estruturas de Construção e Projeto Estrutural e do Instituto de Projeto 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 composta de longo vão por meio de um processo de enrolamento de fibra. O enrolamento colaborativo, como é chamado, envolve o uso de dois robôs industriais estacionários e um drone leve customizado ou UAV "intermediário" para fabricar estruturas de longo vão no espaço intersticial entre os robôs (Fig. 3). Em termos simples, o layout de fabricação estabelece uma divisão favorável de trabalho que capitaliza os pontos fortes de ambas as máquinas - os robôs são usados ​​para colocar com precisão a mecha impregnada de resina na estrutura do enrolamento, enquanto o drone transporta a fibra dos carretéis para cada um dos braços robóticos, contornando assim a limitação imposta ao tamanho da peça pelo envelope de alcance do executor final do robô. Até agora, a alternativa primária para fabricar peças grandes que excediam o alcance do robô era construir a peça por modularização, um processo que é menos do que ideal, especialmente se a estrutura fabricada for de suporte de carga.

O projeto foi obra de oito pesquisadores da Universidade e está resumido no artigo “Fabricação de Multi-Máquinas”, publicado na edição de novembro de 2017 da Acádia , um jornal de arquitetura de interiores e design espacial. A célula de trabalho era composta por dois robôs KUKA de 6 eixos (Augsburg, Alemanha) KR 210 R3100 Ultra, equipados com extensões de aço, uma garra hidráulica para agarrar o atuador de enrolamento do UAV e uma câmera infravermelha usada para sincronizar as localizações do robô com o UAV . Um mecanismo de tensão customizado, baseado em dispositivos de tensão usados ​​em aplicações de extrusão e laminação, fornece controle sobre a tensão da fibra conforme ela é passada da fonte da fibra para o UAV 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. As peças do corpo do drone foram usinadas em placa de carbono padrão, enquanto os braços da nave foram fabricados em tubos de carbono de 20 mm. Outras peças menores, como conectores e espaçadores, foram impressas em 3D a partir de ácido polilático (PLA). As dimensões do drone são de aproximadamente 92 por 92 por 31 cm e o veículo pode carregar uma carga útil de cerca de 2 kg.

Para enrolar um único ponto de ancoragem, o braço do robô percorre a estrutura de enrolamento com a fibra impregnada elevada acima do laminado. Ao atingir o ponto de ancoragem, o robô enrola a fibra em torno dele e retorna o atuador de enrolamento para a plataforma de pouso onde o UAV está esperando. Depois que a troca é confirmada, o mecanismo de tensão muda para baixa tensão e o drone carrega a fibra de desenrolamento para a próxima plataforma robótica. Os pesquisadores usaram a célula de drone robótico para fabricar um cantilever demonstrador de 12 m de comprimento como um exemplo da forma e tamanho das peças que não poderiam ter sido produzidas pela configuração de enrolamento de fibra automatizado tradicional (Fig. 4). A parte consistia em mecha de vidro contínua de ponta única, SE1500-2400tex doada por Lange + Ritter GmbH (Gerlingen, Alemanha) e estopa de fibra de carbono contínua SIGRAFIL, CT50-4.0 / 240-E100, doada por SGL Technologies GmbH (Wiesbaden, Alemanha). As fibras foram pré-impregnadas com resina epóxi EPIKOTE MGS LR 135 formulada com o agente de cura EPIKURE MGS LH 138, fornecido pela Hexion (Columbus, OH, US). A peça foi fabricada com fibras pré-impregnadas e fibras secas impregnadas em banho de resina por imersão em fibra. Solly relata que o processo demonstrado pelo projeto é mais adequado para produzir estruturas horizontais com vãos longos entre suportes verticais, como telhados de salão de festas ou passarelas em que a redução no peso próprio pode produzir reduções significativas de materiais usados ​​e custos. Ele relata que ele e seus colegas irão desenvolver o processo e suas aplicações com um artigo sendo apresentado na próxima conferência da International Association for Shell and Spatial Structures (IASS 2018), de 16 a 20 de julho, Boston, MA, EUA.

Em outro projeto relacionado à indústria, uma equipe de pesquisa do MIT Media Lab está investigando o uso de drones para localizar e identificar o estoque do armazém por meio de etiquetas de identificação por radiofrequência (RFID). A necessidade de melhorias nas práticas de contabilidade de estoque, trazida pelo aumento na escala das operações modernas de armazenamento e transporte, é reconhecida há algum tempo. A digitalização manual é trabalhosa, cara e sujeita a erros. O Walmart, por exemplo, relatou em 2013 perda de mais de US $ 3 bilhões em receita devido a incompatibilidades entre seus registros de estoque e seu estoque real.

A equipe do MIT desenvolveu com sucesso um protótipo que permite drones pequenos e leves com rotores de plástico flexíveis - o único tipo aprovado para uso próximo a humanos - para ler etiquetas RFID a dezenas de metros de distância enquanto identifica a localização das etiquetas com um erro médio de cerca de 19 cm.

O Bebop-2 drones usados ​​para o estudo são fabricados pela Parrot Corp. (Paris, França). Projetado especificamente para exibir baixa vibração para aplicações como fotografia, o drone apresenta uma fuselagem feita de nylon Grilamid TR com enchimento de vidro, fornecido pela EMS-CHEMIE AG (Domat / Ems, Suíça). Cada drone pesa cerca de 500g e pode voar de forma autônoma por cerca de 25 minutos. Embora sejam aprovados para uso próximo às pessoas, os drones são pequenos demais para transportar um leitor RFID com um alcance de mais de alguns centímetros. Em vez disso - este é o principal avanço da pesquisa - os drones são usados ​​para transmitir sinais emitidos por um leitor RFID padrão para uma etiqueta 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 para o leitor, que decodifica o identificador e, assim, o item e a localização do item. A equipe está trabalhando atualmente para melhorar a precisão do mecanismo de localização em distâncias maiores, bem como maneiras de melhorar a velocidade e escalabilidade do processo.

Inovação estimulando novos aplicativos de drones

Fornecedores de materiais, fabricantes de impressão 3D contratados e fornecedores de equipamentos de impressão relatam negócios em crescimento com fabricantes de drones e estão desenvolvendo novos produtos e recursos para atender a esse negócio.

Clearwater Composites LLC (Duluth, MN, EUA) produz uma linha de tubos e placas de fibra de carbono que fornece para fabricantes de equipamentos industriais, robótica, aeroespacial, artigos esportivos e UAVs. Os tubos, em uma variedade de formatos, são feitos principalmente enrolando-se em rolo epoxi prepreg de fibra de carbono unidirecional em um mandril, com cura a 250 ° C. Os tubos são feitos em graus de módulo padrão, alto e ultra-alto, este último feito de fibras de piche. A empresa fabrica placas em várias espessuras, em folhas de até 1,2 m por 2,4 m, a partir de materiais semelhantes, por moldagem por compressão ou infusão a vácuo. O presidente Jeff Engbrecht diz que seus clientes de UAV são tipicamente empresas norte-americanas que projetam e constroem UAVs para aplicações industriais e aeroespaciais de ponta.

Clearwater, relata ele, está fornecendo a um de seus clientes, um projetista e fabricante de UAV / drones, um tubo cônico personalizado de parede fina (0,03 polegadas / 0,76 mm), feito de Toray Industries '(Tóquio, Japão) fibra de carbono M46J de alto módulo. O tubo, para uma nova aplicação não especificada, é redondo em uma extremidade e, em seguida, afunila em uma forma oval na outra extremidade.

A Stratus Aeronautics (Burnaby, BC, Canadá) fabrica drones usados ​​principalmente para conduzir levantamentos magnéticos e aéreos em pesquisas científicas, mineração, militares e outras aplicações. Projetados e construídos em configurações de asa fixa e multi-rotor, esses drones de pesquisa oferecem vantagens de custo significativas em relação às embarcações pilotadas.

O Venture de asa fixa da empresa r O UAV (Fig. 5) é uma aeronave pequena e leve, movida por um motor a gás de dois tempos de 100 cc e é capaz de missões de longa duração (> 10 horas) - o que não é uma possibilidade com uma nave pilotada.

O avião apresenta uma fuselagem moldada em fibra de carbono prepreg, asas que compreendem um semi-monocoque com núcleos de espuma e uma fuselagem monocoque sem núcleos.

Curtis Mullen, o diretor técnico da empresa, diz que o projeto e os testes estão quase concluídos para um novo UAV elétrico com múltiplos rotores. Com 3m de comprimento e pesando cerca de 15 kg, ele é, exceto para a parte eletrônica, construído inteiramente em compósitos de fibra de carbono. “O chassi é uma estrutura monocoque de autoalinhamento feita de placa de carbono roteada por CNC”, relata Mullen. Carbono tubular de orientação e módulos de fibra variados, dependendo das cargas locais, compreende o restante da estrutura. Em CW Tempo de imprensa de julho, a empresa planejava concluir a construção e os testes de voo no período de junho / julho e apresentar o Empreendedor para o mercado no final de 2018.

Drones combinam com a impressão 3D

Dado o rápido desenvolvimento da tecnologia de drones, não deve ser surpresa que os construtores de drones tenham impulsionado a manufatura aditiva de compostos. Os designers de drones não estão apenas usando impressoras 3D de grande formato para fazer a prototipagem rápida para a qual os processos foram concebidos pela primeira vez, mas também, conforme esses processos evoluem, para fornecer ferramentas e peças acabadas também, para atender aos tempos de resposta rápidos exigidos pelos OEMs de drones .

Impossible Objects (Northbrook, IL), por exemplo, recentemente fez parceria com Aurora Flight Sciences (Manassas, VA) para imprimir em 3D uma montagem do estabilizador traseiro de 76 por 38 mm de polietileno de alta densidade (HDPE) reforçado com 25,4 mm picado fibras de carbono, usando sua tecnologia de manufatura de aditivos com base em composto (CBAM). A peça foi instalada em uma nova aeronave em desenvolvimento na época, substituindo uma peça de náilon não reforçado que estava quebrando. Embora a tecnologia de manufatura aditiva tenha sido freqüentemente usada para fazer protótipos ou testar peças, o CEO da Impossible Objects, Larry Kaplan, diz que a empresa está atualmente trabalhando para garantir várias aplicações comerciais de alto volume para peças em drones. Os detalhes das aplicações ainda não podem ser detalhados, mas Kaplan relata que eles envolverão materiais novos e resistentes a altas temperaturas de fibra de carbono / náilon e fibra de carbono / PEEK que a empresa desenvolveu. “Somos o único fabricante de aditivos de compósitos com um material PEEK reforçado”, afirma Kaplan, observando que os materiais com resistência a altas temperaturas estão cada vez mais em demanda por peças e moldes.

A fornecedora de impressoras Stratasys Inc. (Eden Prairie, MN, EUA) está fazendo parceria com fornecedores de materiais e fabricantes aeroespaciais / drones no desenvolvimento e comercialização contínuos de suas tecnologias de ferramentas impressas em 3D para a moldagem de peças compostas. Timothy Schniepp, diretor sênior de soluções compostas da 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, o que significa que um cliente pode moldar peças em menos de uma semana. O material de alta temperatura da empresa, Ultem 1010, uma polieterimida (PEI) fabricada pela SABIC (Pittsfield, MA, EUA), é um material não preenchido de uso geral adequado para a fabricação de todas as ferramentas de lay-up, incluindo ferramentas autoclavadas a temperaturas elevadas a 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 as lâminas de hélice de epóxi reforçadas com fibra de carbono de um UAV. As ferramentas de 356 por 102 por 51 mm levaram 30 horas de tempo de construção e foram lixadas manualmente e seladas com um epóxi de duas partes, resultando em um 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 projetos de ferramentas moldando peças de teste. Adrian Corbett, diretor de desenvolvimento de negócios da empresa, observa que a indústria de drones está incorporando mais peças impressas em 3D em seus produtos, e as ferramentas impressas em 3D oferecem uma vantagem clara em comparação com ferramentas de usinagem de epóxi ou outros materiais de ferramentas. “Isso permite que você faça uma peça tão rápido quanto você pode imprimir a ferramenta”, diz ele.

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