드론:합성 UAV의 비행

변경, 더 나은 아직 빠른 변경. 이것은 무인항공기(UAV) 설계 및 제조의 현재 상태를 가장 잘 나타냅니다. 한 가지 큰 변화는 용어입니다. UAV는 이제 드론입니다. , 그리고 드론 기술은 거의 독점적으로 군사 임무에만 국한되었던 한 번에 제한적인 정의를 무시하고 최첨단 산업, 상업 및 소비자 응용 프로그램의 호스트에서 사용을 찾고 있습니다. 드론은 더 이상 지상에서 인간의 통제에 국한되지 않고 자율 기술의 운명, 즉 그것이 무엇이고 어떻게 사용될 수 있는지를 형성하고 있습니다.

레이더:통신, 자동화를 위한 드론

드론에서 복합 재료 사용의 큰 약속 중 하나는 광역 Wi-Fi 인터넷 액세스를 제공하는 지속적이고 장기간 시스템을 가능하게 하는 것입니다. 이상적으로는 이러한 드론은 태양열로 구동되며 한 번에 몇 주 동안 중단 없이 인터넷에 액세스할 수 있는 수 평방 마일의 육지 지역에 서비스를 제공할 수 있습니다. 이 기술을 추구하는 프로그램이 두 개 이상 있으며 현재까지의 결과는 혼합되어 있으면 유망합니다.

하나는 소셜 미디어의 거인 페이스북(미국 캘리포니아주 멘로 파크)의 작품이고 다른 하나는 매사추세츠 공과대학(MIT, 메사추세츠주 케임브리지)의 작품이다. 각각은 프로토타입을 제작 및 비행했으며 근본적으로 새로운 디자인으로 전례 없는 UAV 비행 시간을 달성하는 것을 목표로 하며, 필요에 따라 고급 복합 재료의 이점을 극대화하기를 희망합니다.

2014년부터 개발 중인 Facebook의 Aquila (그림 1), 탄소 섬유 복합 재료, 태양열 동력, 4개의 프로펠러 드론은 두 번 테스트 비행을 했습니다. 2016년에는 305m 아래에서 96분 동안 비행했고, 지난해에는 약 106분 동안 비행해 고도 914.4m에 도달했다. 아퀼라 큰 일을 위한 것입니다:Aquila's 명시된 타겟 고객 기반은 십억 신뢰할 수 있는 온라인 액세스가 없는 전 세계 사람들. 거대한 지리적 규모를 감안할 때 무인 항공기는 매우 길고 중단 없는 비행이 가능해야 하며, 이는 Aquila의 비행 성능 및 설계 매개변수. Facebook은 개월 동안 계속 비행할 수 있는 무인 항공기를 제작 및 출시해야 합니다. 매우 높은 고도에서 — 60,000-90,000피트(18,290-27,430m). 이 높이에서 드론은 약 60평방마일 이상의 WiFi 범위를 제공할 수 있습니다. 이 기술이 완성되면 Facebook CEO인 Mark Zuckerberg는 드론을 만들 계획이라고 밝혔습니다.

이것은 복합 재료 산업에 잠재적으로 좋은 소식이지만 Facebook은 Aquila에 대한 구체적인 엔지니어링 세부 정보를 거의 공개하지 않았습니다. 또는 탄소 섬유 재료 및 이를 구성하는 데 사용된 라미네이트. CW 비행 테스트를 거친 버전은 110피트(±34m) 범위에 있는 "보잉 737보다 넓은 날개 길이"를 가지고 있다는 것을 알게 되었습니다. 기존 랜딩 기어의 추가 무게와 끌림을 버리고 Aquila 또한 모터 포드의 바닥에 결합된 Kevlar "랜딩 패드"가 장착되어 있는데, 그 이유 중 하나는 무게가 약 1,000lb(454kg)에 불과하고 그 질량의 약 절반이 배터리로 설명되는 이유입니다. 그러나 Zuckerberg는 드론이 더 가벼워져야 한다고 분명히 밝혔습니다.

바람이 부는 방향으로 이동할 때 드론은 설계상 10-15mph의 육지 속도로 날아가서 신호를 수신하도록 의도된 대상 영역의 중앙에 유지합니다. 통신 시스템은 레이저를 사용하여 지상 기반 광섬유보다 약 10배 빠른 데이터를 전송합니다. 두 번째로 가장 최근에 비행한 드론 버전에서는 날개에 적용된 불특정 코팅 재료가 "매끄러운 마감"을 만들어냈고 첫 번째 드론의 상승률에 비해 상승률이 54.9m/min으로 두 배 증가한 것으로 알려져 있습니다. 하지만 Aquila가 야심찬 비행 시간 목표는 태양열 발전만으로 달성할 수 있습니다. Aquila 게시물에 따르면 다음 단계에서 프로젝트의 주요 과제 Facebook 사이트는 태양광 패널 효율성, 배터리 저장 및 운영에 대한 수용 가능한 비용 패러다임 달성입니다. Facebook은 다양한 "폼 팩터, 크기 및 무게"를 가진 드론을 포함하도록 테스트 프로그램을 확장하고 다음 테스트 비행에서 더 높은 고도로 비행할 계획이라고 밝혔습니다.

한편, MIT 엔지니어 팀은 24피트(7.32m) 날개 폭을 가진 UAV를 설계, 제작 및 테스트했으며, 탄소 섬유와 케블라로 강화된 복합 재료로 완전히 제작되었습니다(그림 2). Jungle Hawk Owl이라는 UAV 개발 프로젝트의 목표 미 공군(Gateways Branch, AFLCMC/HNAG, Hanscom Air Force Base, Bedford, MA, US)이 자금을 지원하며 Facebook의 Aquila보다 약간 더 겸손합니다. . 약 4,572m 고도에서 고위도와 저위도, 사계절 5일 이상 비행이 가능한 드론을 만드는 것이 목표다. 이러한 드론은 대규모 정전 또는 서비스 중단 시 넓은 지역에 임시 인터넷/전화 연결을 제공하는 통신 허브 역할을 하도록 설계될 것입니다.

드론의 디자인은 일반적으로 얇은 공기역학적 프로파일을 가진 글라이더를 모델로 했습니다. 첫 번째 실물 크기 버전은 올해 최대 고도 122m에서 시험 비행했으며 날개 두께는 42.4mm에서 20.8mm로 가늘어지며 총 중량은 12.7kg에 불과합니다. 항공기와 자동차 옥상 발사 시스템에 대한 약간의 조정이 완료된 후, 이번 여름에 고도 비행 테스트가 예정되어 있으며, 드론은 최대 45.4kg의 통신 장비와 연료를 탑재하고 있습니다.

MIT 항공 및 우주 비행학 교수이자 학생 연구를 감독하는 직원 중 한 명인 John Hansman은 MIT와 MIT 링컨 연구소(미국 매사추세츠주 렉싱턴)의 협력으로 날개가 2개의 형태로 성형된 코어 샌드위치로 구성되어 있다고 보고했습니다. 단계 프로세스. 필요한 공기역학적 정밀도를 달성하기 위해 날개의 상부 표면 스킨은 진공 주입을 통해 날개 길이에 대해 90° 방향의 단방향 탄소 섬유 직물 한 겹에서 별도로 성형되었습니다. 하단 날개 스킨을 만들기 위해 다양한 두께의 스파 캡을 단방향 직물로 성형하고 금형에 넣었습니다. 그런 다음 스티로폼을 스파 캡 주위와 사이에 놓고 바닥 스킨을 구조물에 대해 제자리에 진공 봉지에 넣었습니다. 그런 다음 상단 스킨을 하단에 맞추고 12K 토우로 포장했습니다. 모든 직물에는 Gougeon Bros. Inc.(미국 미시간주 베이 시티)에서 공급하는 저점도 에폭시인 West Systems 105가 주입되었습니다. 모든 금형은 Freeman Manufacturing &Supply Co.(Avon, OH, US)에서 제공한 RenShape 440 폴리우레탄 폼으로 CNC 가공되었습니다.

가솔린 엔진(사이드 스토리 "드론:MIT 소프트웨어는 태양열 UAV에 대한 의심" 참조)과 연료 탱크를 수용하는 동체를 만들기 위해 팀은 간단한 원통형 콘크리트 몰드를 사용하고 단방향 직물 2겹을 적용했습니다. 90° 및 45°에서 튜브의 내경에 대해 튜브를 통해 그리고 튜브 주위에 위치한 환상형 진공 백을 사용하여 직물을 진공 주입하고, 라미네이트의 외부 층이 튜브의 내벽에 위치하도록 합니다. 튜브. 통신 전자 장치가 포함된 노세콘을 제작하기 위해 외부 원추형 몰드를 폼에서 반으로 두 개로 가공했습니다. 0° Kevlar 직물의 단일 층을 (함께 접착된) 몰드 반쪽 위에 놓고 진공 주입했습니다.

드론 — 업계의 새로운 플레이어

드론은 산업 영역에 영향을 미치고 있으며, 로봇을 비롯한 기존 기계와 작업자가 이동하기 더 어렵고 비용이 많이 드는 곳으로 하늘을 날고 있습니다.

잠재적으로 큰 미래가 있는 한 가지 응용 프로그램은 노후된 풍력 발전 블레이드의 안전 검사입니다. 군사 감시용 카메라가 장착된 UAV는 이 기술의 초기 사용 중 하나였습니다. 오늘날 특수 카메라가 장착되고 매우 정교한 소프트웨어에 의해 자율적으로 작동되는 무인 항공기는 15분 만에 거대한 풍력 터빈의 로터 블레이드를 검사할 수 있으며(사람이 검사하면 하루 종일 걸릴 수 있음) 손상에 대한 시각적 증거를 전달할 수 있습니다. 보다 편안한 환경에서 검사관이 화면을 볼 수 있는 웹 포털. CW 이 성장하는 드론 기반 비즈니스 현상을 5월호에서 다루었습니다("서비스 및 수리:풍력 발전의 그리드 영향 최적화" 참조).

슈투트가르트 대학교(독일 슈투트가르트) 건물 구조 및 구조 설계 연구소와 전산 설계 연구소의 연구원 그룹은 드론을 산업용 로봇과 함께 사용하여 섬유 와인딩 공정. 협업 와인딩(Collaborative Winding)은 고정된 산업용 로봇 2개와 맞춤형 경량 드론 또는 UAV "중간"을 사용하여 로봇 사이의 틈새 공간에 긴 스팬 구조를 제작하는 것을 수반합니다(그림 3). 간단히 말해서, 제작 레이아웃은 두 기계의 장점을 활용하는 유리한 노동 분업을 설정합니다. 로봇은 수지 함침 로빙을 와인딩 프레임에 정확하게 배치하는 데 사용되는 반면 드론은 섬유를 스풀에서 각 기계로 셔틀합니다. 따라서 로봇 엔드 이펙터의 도달 범위에 의해 부품 크기에 부과되는 제한을 우회합니다. 지금까지 로봇의 범위를 초과하는 대형 부품을 제조하는 것에 대한 주요 대안은 모듈화로 부품을 제조하는 것이었습니다. 이는 특히 조립된 구조가 하중을 견디는 경우 이상적이지 않은 프로세스입니다.

이 프로젝트는 대학의 8명의 연구원이 수행한 작업으로 Acadia 2017년 11월호에 게재된 "Multi-Machine Fabrication" 논문에 요약되어 있습니다. , 인테리어 건축 및 공간 디자인 저널. 워크셀은 강철 익스텐션이 장착된 6축 KUKA(독일 아우크스부르크) KR 210 R3100 Ultra 로봇 2대, UAV에서 와인딩 이펙터를 잡는 유압 그리퍼, 로봇의 위치를 ​​UAV와 동기화하는 데 사용되는 적외선 카메라로 구성됩니다. . 압출 및 롤링 응용 분야에 사용되는 장력 장치를 기반으로 하는 맞춤형 장력 메커니즘은 섬유 소스에서 UAV 또는 로봇으로 전달될 때 섬유 장력을 제어합니다.

프로젝트 연구원 중 한 명인 James Solly는 맞춤형 드론의 최종 디자인은 팀이 드론의 무게를 최적화하고 비행 동작을 안정화할 수 있도록 하는 디자인 프로세스에서 4개의 초기 프로토타입에서 파생되었다고 말했습니다. 드론 본체의 부품은 표준 탄소판으로 가공된 반면 우주선의 팔은 20mm 탄소 튜브로 제작되었습니다. 커넥터 및 스페이서와 같은 기타 작은 조각은 폴리락트산(PLA)에서 3D 인쇄되었습니다. 드론의 크기는 약 92 x 92 x 31cm이며 차량은 약 2kg의 페이로드를 실을 수 있습니다.

단일 앵커 포인트를 감기 위해 로봇 암은 라미네이트 위로 올라간 함침 섬유와 함께 와인딩 프레임 주위를 이동합니다. 앵커 포인트에 도달하면 로봇은 광섬유를 주변에 감고 와인딩 이펙터를 UAV가 기다리고 있는 착륙 플랫폼으로 되돌립니다. 교환이 확인되면 장력 메커니즘이 저장력으로 전환되고 드론은 풀린 섬유를 다음 로봇 플랫폼으로 운반합니다. 연구원들은 로봇 드론 셀을 사용하여 기존의 자동화된 섬유 와인딩 설정으로는 생산할 수 없었던 부품의 모양과 크기의 예로서 12m 길이의 데모 캔틸레버를 제작했습니다(그림 4). 이 부품은 Lange+Ritter GmbH(독일 Gerlingen)에서 기증한 단일 끝단 연속 유리 로빙 SE1500-2400tex와 SGL Technologies GmbH(독일 비스바덴)에서 기증한 SIGRAFIL 연속 탄소 섬유 토우 CT50-4.0/240-E100으로 구성되었습니다. 섬유는 Hexion(미국 오하이오주 콜럼버스)에서 공급하는 EPIKURE MGS LH 138 경화제로 공식화된 EPIKOTE MGS LR 135 에폭시 수지로 사전 함침되었습니다. 이 부품은 미리 준비된 섬유와 섬유 침지 수지 욕조에 함침된 건조 섬유를 사용하여 제작되었습니다. Solly는 프로젝트에서 입증된 프로세스가 볼룸 지붕이나 보행자 다리와 같이 수직 지지대 사이에 긴 스팬이 있는 수평 구조를 생산하는 데 가장 적합하다고 보고합니다. 그는 그와 그의 동료들이 미국 매사추세츠주 보스턴에서 7월 16일부터 20일까지 열리는 국제 쉘 및 공간 구조 협회(IASS 2018) 컨퍼런스에서 발표될 논문을 통해 프로세스와 응용 프로그램에 대해 자세히 설명할 것이라고 보고했습니다.

또 다른 산업 관련 프로젝트에서 MIT 미디어 랩의 연구팀은 무선 주파수 ID(RFID) 태그를 통해 창고 재고를 찾고 식별하기 위해 드론을 사용하는 것을 조사하고 있습니다. 현대적인 창고 및 운송 작업의 규모가 증가함에 따라 재고 회계 방식의 개선이 필요하다는 사실이 한동안 인식되어 왔습니다. 수동 스캔은 힘들고 비용이 많이 들고 오류가 발생하기 쉽습니다. 예를 들어 Walmart는 재고 기록과 실제 재고가 일치하지 않아 2013년에 30억 달러 이상의 매출 손실을 보고했습니다.

MIT 팀은 유연한 플라스틱 로터가 있는 작고 가벼운 드론(인간과 가까운 곳에서 사용하도록 승인된 유일한 유형)이 수십 미터 떨어진 곳에서 RFID 태그를 읽고 평균 오류로 태그의 위치를 ​​식별할 수 있도록 하는 프로토타입을 성공적으로 개발했습니다. 약 19cm.

비밥-2 연구에 사용된 드론은 Parrot Corp.(Paris, France)에서 제조한 것입니다. 사진과 같은 응용 분야에서 낮은 진동을 나타내도록 특별히 설계된 이 드론은 EMS-CHEMIE AG(Domat/Ems, Switzerland)에서 공급하는 유리로 채워진 Grilamid TR 나일론으로 만든 동체가 특징입니다. 각 드론의 무게는 약 500g이며 약 25분 동안 자율적으로 비행할 수 있습니다. 사람 주변에서 사용하도록 승인되었지만 드론은 너무 작아서 범위가 몇 센티미터 이상인 RFID 리더를 휴대할 수 없습니다. 대신 — 이것은 핵심 연구 혁신입니다 — 드론은 표준 RFID 리더에서 방출되는 신호를 RFID 태그로 전달하는 데 사용됩니다. 신호가 태그에 도달하면 태그는 신호를 드론으로 다시 보내기 전에 신호에 대한 식별자를 인코딩합니다. 드론은 신호를 판독기로 전달하고 판독기는 식별자를 디코딩하여 항목과 항목의 위치를 ​​해독합니다. 팀은 현재 더 먼 거리에서 위치 확인 메커니즘의 정밀도를 개선하고 프로세스의 속도와 확장성을 개선하는 방법을 연구하고 있습니다.

새로운 드론 애플리케이션을 촉진하는 혁신

재료 공급업체, 계약된 3D 프린팅 제조업체 및 인쇄 장비 공급업체는 드론 제조업체의 비즈니스 성장을 보고하고 이 비즈니스에 서비스를 제공하기 위한 새로운 제품과 기능을 개발하고 있습니다.

Clearwater Composites LLC(미국 미네소타 덜루스)는 탄소 섬유 튜브 및 플레이트 라인을 생산하여 산업용 장비, 로봇 공학, 항공 우주, 스포츠 용품 및 UAV 제조업체에 공급합니다. 다양한 모양의 튜브는 주로 맨드릴에 단방향 탄소 섬유 에폭시 프리프레그를 롤 포장하여 250°C에서 경화하여 만듭니다. 튜브는 표준, 고 및 초고 모듈러스 등급으로 만들어지며 후자는 피치 섬유로 만들어집니다. 이 회사는 압축 성형 또는 진공 주입을 통해 유사한 재료로 최대 1.2m x 2.4m의 시트로 다양한 두께의 판을 제조합니다. Jeff Engbrecht 사장은 UAV 고객은 일반적으로 고급 산업 및 항공 우주 애플리케이션을 위한 UAV를 설계 및 구축하는 북미 기반 회사라고 말했습니다.

Clearwater는 UAV/드론 설계자이자 제조업체인 고객 중 하나인 Toray Industries(일본 도쿄)에서 제작한 맞춤형 테이퍼형 얇은 벽(0.03인치/0.76mm) 튜브를 공급하고 있다고 보고했습니다. 고탄성 M46J 탄소 섬유. 지정되지 않은 새로운 적용을 위한 튜브의 한쪽 끝은 둥글고 다른 쪽 끝은 타원형으로 가늘어집니다.

Stratus Aeronautics(캐나다 BC주 버나비)는 과학 연구, 광업, 군사 및 기타 응용 분야에서 자기 및 항공 측량을 수행하는 데 주로 사용되는 드론을 제조합니다. 고정익 및 다중 로터 구성으로 설계 및 제작된 이 측량 드론은 유인 항공기에 비해 상당한 비용 이점을 제공합니다.

회사의 고정익 벤처 r UAV(그림 5)는 100cc, 2행정 가스 엔진으로 구동되는 소형 경량 항공기로 장기간(>10시간) 임무를 수행할 수 있습니다.

이 비행기는 탄소 섬유 프리프레그로 성형된 기체, 폼 코어가 있는 세미 모노코크로 구성된 날개, 코어가 없는 모노코크 동체로 구성되어 있습니다.

회사의 최고 기술 책임자인 Curtis Mullen은 새로운 전기 다중 로터 UAV에 대한 설계 및 테스트가 거의 완료되었다고 말했습니다. 길이가 3m, 무게가 약 15kg인 이 제품은 전자 제품을 제외하고는 완전히 탄소 섬유 복합재로 제작되었습니다. "섀시는 CNC 라우팅 탄소판으로 만들어진 자동 정렬 모노코크 구조입니다."라고 Mullen은 보고합니다. 국부 하중에 따라 다양한 섬유 배향 및 계수의 관형 탄소가 구조의 나머지 부분을 구성합니다. CW에서 7월 보도 시간, 회사는 6월/7월 기간에 건설 및 비행 테스트를 완료하고 Venturer를 도입할 계획이었습니다. 2018년 후반에 출시될 예정입니다.

3D 프린팅을 사용한 더브테일 드론

무인 항공기 기술의 급속한 발전을 고려할 때 무인 항공기 제작자가 복합 재료의 적층 제조에 추진력을 제공한 것은 놀라운 일이 아닙니다. 드론 설계자는 대형 3D 프린터를 사용하여 프로세스가 처음 구상된 신속한 프로토타이핑을 수행할 뿐만 아니라 이러한 프로세스가 발전함에 따라 드론 OEM이 요구하는 빠른 처리 시간을 충족하기 위해 툴링 및 완성된 부품도 제공합니다. .

예를 들어, Impossible Objects(일리노이주 노스브룩)는 최근 Aurora Flight Sciences(버지니아주 마나사스)와 협력하여 25.4mm 절단으로 강화된 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 76x38mm 후방 안정 장치 마운트를 3D 프린팅했습니다. 탄소 섬유는 CBAM(Composite-Based Additive Manufacturing) 기술을 사용합니다. 이 부품은 당시 개발 중인 새 항공기에 장착되어 파손된 비강화 나일론으로 만든 부품을 대체했습니다. 적층 제조 기술이 프로토타입을 만들거나 부품을 테스트하는 데 자주 사용되었지만 Impossible Objects의 CEO인 Larry Kaplan은 회사가 현재 드론 부품에 대한 여러 상용 대량 응용 프로그램을 확보하기 위해 노력하고 있다고 말했습니다. 적용에 대한 세부 사항은 아직 자세히 설명할 수 없지만 Kaplan은 회사가 개발한 새로운 고온 내성 탄소 섬유/나일론 및 탄소 섬유/PEEK 재료가 포함될 것이라고 보고합니다. Kaplan은 "우리는 강화된 PEEK 재료를 사용하는 유일한 복합 재료 첨가제 제조업체입니다."라고 주장하며 부품 및 금형에 대한 높은 내열성 재료에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

프린터 공급업체 Stratasys Inc.(미국 미네소타주 Eden Prairie)는 복합 부품 성형을 위한 3D 인쇄 툴링 기술의 지속적인 개발 및 상용화에 있어 재료 공급업체 및 항공우주/드론 제작업체와 협력하고 있습니다. Stratasys의 복합 솔루션 수석 이사인 Timothy Schniepp는 회사의 FDM(Fused Deposition Modeling) 기계가 2~3일 이내에 대부분의 도구를 생산할 수 있다고 말합니다. 이는 고객이 일주일 이내에 부품을 성형할 수 있음을 의미합니다. 회사의 고온 재료인 Ultem 1010은 SABIC(미국 매사추세츠주 피츠필드 소재)에서 제조한 폴리에테르이미드(PEI)이며 고온으로 오토클레이브된 도구를 포함하여 모든 레이업 툴링의 제조에 적합한 범용 비충전 재료입니다. 화씨 300도까지.

Swift Engineering Inc.(미국 캘리포니아주 산 클레멘테)는 FDM과 Ultem 1010을 사용하여 UAV의 탄소 섬유 강화 에폭시 프로펠러 블레이드용 압축 몰드의 절반을 제조했습니다. 356 x 102 x 51mm 도구는 제작 시간이 30시간이 걸렸고 수동으로 연마하고 2액형 에폭시로 밀봉하여 약 0.4µm의 표면 조도 Ra(평균 거칠기)를 얻었습니다.

Rock West Composites(미국 유타주 웨스트 요르단)는 테스트 부품을 성형하여 일부 도구 설계를 검증하기 위해 Stratasys와 협력하고 있습니다. 회사의 사업 개발 이사인 Adrian Corbett은 드론 산업이 제품에 더 많은 3D 인쇄 부품을 통합하고 있으며 3D 인쇄 도구는 에폭시 또는 기타 도구 재료의 가공 도구에 비해 분명한 이점을 제공한다고 말합니다. "이렇게 하면 도구를 인쇄할 수 있는 한 빨리 부품을 만들 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

요컨대, 새로운 드론 다작 시대가 도래했고 도래했습니다. 다행스럽게도 복합재 산업의 많은 사람들에게 이 경우 변화는 좋은 일입니다.