3D打印技术在轻型无人机设计和生产中的应用

   小金工        

2021年4月7日消息,近日,Magda Zydzik解释了3D打印如何帮助无人机减轻重量,让无人机的生产更加现代化和科技化。


一个多世纪以前,第一个无人驾驶飞机(UAV)–俗称“无人驾驶飞机”-用纸制的纸浆,木制机身和用纸板制成的机翼实现了生命。鉴于无人驾驶飞机的历史,它绝不是一项新发明,但是最近的技术进步(例如更轻的材料和改进的飞行控制器)为在消费者和商业市场上更广泛地采用无人机奠定了基础。与以前的方法相比,无人机最初被视为一种军事设备,如今已立足于要求高精度和高成本效益的应用中。应用程序包括检查、维护、监视、精确农业、制图和测量等。


展望无人机技术的发展,一个共同的主题是减轻重量。随着无人机的应用要求更高的有效载荷,更长的飞行时间和更轻的重量,复合材料以其高强度重量比成为了首选材料。复合材料制造技术使无人机原型材料与最初使用的纸浆和纸板相距甚远。


3D打印技术在轻型无人机设计和生产中的应用

图1(A.)原始设计。底部图1(B)。Arevo设计

3D打印技术在轻型无人机设计和生产中的应用

图2.有效载荷为8kg的原始无人机设计的极端主应力

3D打印技术在轻型无人机设计和生产中的应用

图3.原始设计和更新的电动机外壳设计中的电动机安装区域中的多个零件

3D打印技术在轻型无人机设计和生产中的应用

图4.通过DED制造的最终设计的xtremum主应力


此外,增材制造(AM)的进步已大大缩短了产品的使用寿命,并加快了将新产品推向市场的速度。迄今为止,复合材料和增材制造行业已经对不断发展的无人机行业做出了回应:复合材料行业的纤维形状和模量各不相同,并且AM行业具有用于常规复合材料制造以及短纤维增强的3D打印工具除其他示例外,还可以使用材料来替代未加固的零件。


复合材料和增材制造在无人机设计中合力


Arevo使用基于机器人的增材制造技术来制造复合材料零件。它相信,其AM,连续碳纤维复合材料和软件的结合对无人机行业具有广阔的前景。使用其Xplorator软件和其Aqua系统上的定向能量沉积(DED)打印工艺,所有这些都是在内部开发的,无人机框架和其他大型结构部件可以设计得更轻巧,并且可以从概念上投入生产。


向Arevo提供了制造检查无人机的结构框架的机会。目标是实现至少40%的重量减轻,同时保持结构完整性。最初的设计具有850mm的电机间距-恰好在Aqua系统的1,000mm x 1,000mm x 800mm(xyz)体积之内-并在辅助部件的中央隔室中需要33.5mm的垂直空间。最后,要求新设计支持8kg的有效载荷,并保留原始孔位置,以适应以前设计和采购的零件。


使用Arevo技术完成无人机框架的设计和制造后,与原始设计相比,重量减轻了50%(见图1)。


在审查了客户的原始设计后,使用Xplorator软件对原始设计的碳素管的代表性材料特性作为输入,对客户的设计进行了初始结构有限元分析(FEA)。


图2显示了极端主应力和靠近电机底座以及无人机顶部和底部(未显示)的应力集中区域。原始设计的最低安全系数(FOS)约为1.5,这验证了原始设计将满足使用原始计划的制造工艺和FOS提出的负载要求。


最初的有限元分析结果通知了设计方向,以减少X形支撑区域中的应力集中,并将零件集成到原始设计的电动机安装区域中(如图3所示)。为了提高该区域的强度,将X形支架替换为锥形电机外壳,并与动臂和起落架集成在一起。


轻型无人机设计的下一步


一旦软件通过初始FEA告知了设计方向,便准备了最终设计。考虑到用作水族系统原料的Arevo复合长丝的各向异性,使用了Xplorator中的添加有限元分析(AFEA)模块来验证设计强度。AFEA模块的输入是通过对在Aqua系统上通过DED打印的优惠券进行广泛表征而获得的材料特性。使用相同的8公斤有效载荷工况,AFEA进行了最终设计。


进一步的分析(见图4)显示,大多数区域的FOS为5,顶部表面附近的FOS最低为2.63。高FOS表示可以在某些区域为将来的原型进一步减轻重量,初步保守估计可以进一步减轻10%的重量–比原始设计低60%。


在结构上验证设计后,使用切片模块准备了最终的刀具路径和制造蓝图或GCODE。仔细观察切片模型的一个子部分,连续的光纤路径从动臂的一侧环绕电动机外壳和支架,并缠绕到动臂的另一侧,以与底盘的其余部分相接,从而提供连续的光纤支撑围绕底盘和动臂的最终设计。


准备好制造蓝图后,即可在AquaSystem上制造零件。高公差孔后来通过CNC加工。


总而言之,使用Xplorator告知和验证Arevo的优化设计,可以使原始设计的重量减轻50%,并且满足了针对载荷工况的结构要求。下一步是执行组装和飞行测试,以告知将来的设计和产品改进。


无人机案例研究展示了该技术如何实现用于复合零件的增材制造的虚拟设计迭代以及在制造之前实现轻量化结构的虚拟验证。另外,在FOS高的选定区域中,还有进一步减轻重量的机会。最后,Arevo认为可以进一步优化该设计,以将零件集成到一个印刷的结构框架中。



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