ドローン：複合UAVが飛行する

変化、さらに良いことに、急速な変化。これは、無人航空機（UAV）の設計と製造の現状を最もよく表しています。大きな変更の1つは、用語です。 UAVはドローンになりました 、およびドローンテクノロジーは、かつてはほとんど軍事任務に限定されていましたが、限定的な定義に逆らい、最先端の産業、商業、および消費者向けアプリケーションのホストでの使用を見出しています。ドローンは、地上での人間による制御に限定されることなく、自律型テクノロジーの運命、つまりそれがどのようになり、どのように使用できるかを形作っています。

レーダー上：通信、自動化のためのドローン

ドローンでの複合材料の使用の大きな期待の1つは、広域Wifiインターネットアクセスを提供する永続的で長期間のシステムのイネーブラーとしての機能です。理想的には、そのようなドローンは太陽光発電であり、一度に何週間も途切れることなくインターネットにアクセスできる数平方マイルの土地にサービスを提供できるでしょう。このテクノロジーを追求するプログラムは少なくとも2つあり、混合すれば、これまでのところ有望な結果が得られます。

1つはソーシャルメディアの巨人Facebook（Menlo Park、CA、US）の作品であり、もう1つはマサチューセッツ工科大学（MIT、Cambridge、MA、US）の製品です。それぞれがプロトタイプを作成して飛行し、根本的に新しい設計で前例のないUAV飛行時間を達成することを目指しています。これは、必然的に、高度な複合材料の利点を最大化することを望んでいます。

2014年から開発中、Facebookの Aquila （図1）、 全炭素繊維複合材、太陽光発電、4プロペラドローンが2回テスト飛行されました。 2016年は305m下96分で飛行し、昨年は約106分飛行して高度914.4mに達しました。 アクイラ 大きなものを対象としています： Aquila’s 記載されているターゲット顧客ベースは数十億 信頼できるオンラインアクセスのない世界中の人々。地理的な規模が非常に大きいことを考えると、ドローンは非常に長く途切れることなく飛行できる必要があり、その結果、アクイラのに深刻な影響を及ぼします。 飛行性能と設計パラメータ。 Facebookは、数か月の連続飛行が可能なパイロットレス航空機を製造して打ち上げる必要があります。 非常に高い高度で— 60,000-90,000フィート（18,290-27,430m）。この高さで、ドローンは約60平方マイル以上のWiFiカバレッジを提供できます。テクノロジーが完成すると、FacebookのCEOであるMark Zuckerbergは、ドローンの艦隊を建設するつもりであると述べました。

これは複合材業界にとって潜在的に朗報ですが、Facebookは Aquila に関する具体的なエンジニアリングの詳細をほとんど発表していません。 または、それを構築するために使用される炭素繊維材料とラミネート。 CW 飛行試験済みのバージョンは「ボーイング737よりも広い翼幅」を持っていることを学びました。これは110フィート（±34m）の範囲にあります。従来の着陸装置の余分な重量と抗力を無視して、アクイラ また、モーターポッドの下部に接着されたケブラーの「ランディングパッド」が装備されています。これは、重量が約1,000ポンド（454 kg）で、その質量の約半分がバッテリーで占められている理由の1つです。しかし、ザッカーバーグは、ドローンをさらに軽量化する必要があることを明らかにしました。

風上を移動するとき、ドローンは設計上、わずか10〜15 mphの陸速度で飛行します。これにより、信号を受信することを目的としたターゲット領域の中心にドローンが維持されます。通信システムは、レーザーを使用してデータを転送します。これは、陸上の光ファイバーよりも約10倍高速です。ドローンの2番目の、最近飛行したバージョンでは、翼に適用された不特定のコーティング材料が「滑らかな仕上がり」を生み出し、最初のドローンの上昇率と比較して、上昇率が54.9m / minに倍増したとされています。とはいえ、アクイラの 野心的な飛行時間の目標は、太陽光発電のみを使用して達成できます。 Aquila の投稿によると、次のフェーズでのプロジェクトの主な課題 Facebookサイトは、ソーラーパネルの効率、バッテリーの保管、および運用のための許容可能なコストパラダイムの達成です。 Facebookは、テストプログラムを拡張して、さまざまな「フォームファクタ、サイズ、重量」のドローンを含め、次のテスト飛行でより高い高度に飛行する予定であると述べています。

一方、MITエンジニアのチームは、炭素繊維とケブラーで強化された複合材料から完全に製造された、翼幅24フィート（7.32m）のUAVを設計、構築、テストしました（図2）。 ジャングルホークフクロウと呼ばれるUAV開発プロジェクトの目的 米国空軍（ゲートウェイブランチ、AFLCMC / HNAG、ハンスコム空軍基地、マサチューセッツ州ベッドフォード、米国）からの資金提供は、Facebookのアクイラよりも少し控えめです。 。目標は、地理的に高い緯度と低い緯度、すべての季節、高度約4,572mで、5日以上空中に留まることができるドローンを構築することです。このようなドローンは、通信ハブとして機能するように設計されており、大規模な停電やサービスの停止が発生した場合に、広範囲にわたって一時的なインターネット/電話接続を提供します。

ドローンのデザインは、通常は薄い空力プロファイルを備えたグライダーでモデル化されました。昨年、最大高度122mでテスト飛行した最初の実物大バージョンは、翼の厚さが42.4mmで20.8mmにテーパーが付いており、総空重量はわずか12.7kgです。航空機とその自動車の屋上発射システムの微調整が完了したら、 この夏、高高度飛行試験が予定されており、ドローンは最大45.4kgの通信機器と燃料を満載しています。

MITの航空宇宙工学の教授であり、学生の研究を監督するスタッフの1人であるジョンハンスマンは、MITとMITリンカーン研究所（米国マサチューセッツ州レキシントン）の共同研究で、翼は2つに成形されたコアサンドイッチで構成されていると報告しています。ステッププロセス。必要な空力精度を達成するために、翼の上面スキンは、真空注入によって、翼幅の長さに対して90°に向けられた一方向の炭素繊維布の1つの層から別々に成形されました。ボトムウィングスキンを作るために、さまざまな厚さのスパーキャップを一方向の布から成形し、型に入れました。次に発泡スチロールをスパーキャップの周りと間に配置し、下部スキンを構造物に対して所定の位置に真空バッグで固定しました。次に、上部のスキンを下部に取り付け、12Kのトウで包みました。すべてのファブリックには、Gougeon Bros. Inc.（Bay City、MI、US）から供給された低粘度エポキシであるWest Systems105が注入されました。すべての金型は、Freeman Manufacturing＆Supply Co.（Avon、OH、US）から提供されたRenShape440ポリウレタンフォームからCNC機械加工されました。

ガソリンエンジン（サイドストーリー「ドローン：MITソフトウェアは太陽電池式UAVに疑問を投げかける」を参照）と燃料タンクを収容する胴体を作るために、チームは単純な円筒形のコンクリート型を使用し、一方向の布地を2枚重ねました。次に、チューブの内径に対して90°と45°で、チューブの内側と周囲に配置されたトロイダル真空バッグを使用して、ラミネートの外層を内壁に配置して、ファブリックを真空注入しました。チューブ。通信電子機器を含むノーズコーンを製造するために、外部の円錐形の型をフォームから半分に機械加工しました。 0°ケブラー生地の単層を型の半分（一緒に接着されていた）に置き、真空注入しました。

ドローン—業界の新しいプレーヤー

ドローンは産業の領域に影響を与えており、労働者やロボットを含む従来の機械が行くのがより困難で高価な場所に空中を移動しています。

将来的に大きな可能性を秘めているアプリケーションの1つは、老朽化し​​た風力ブレードの安全検査です。軍事監視用のカメラを搭載したUAVは、この技術の最も初期の用途の1つでした。現在、特殊なカメラを搭載し、非常に高度なソフトウェアによって自律的に動作するドローンは、巨大な風力タービンのローターブレードをわずか15分で検査でき（人間による検査には1日かかる場合があります）、損傷の視覚的証拠を転送します。より快適な環境で検査官が画面上で表示するためのWebポータル。 CW この成長するドローンベースのビジネス現象については、5月号で取り上げました（「サービスと修理：風力発電のグリッドへの影響の最適化」を参照）。

シュトゥットガルト大学（シュトゥットガルト、ドイツ）の建築構造および構造設計研究所と計算設計研究所の研究者グループは、ドローンを産業用ロボットと組み合わせて使用​​し、ファイバーワインディングプロセス。コラボレーティブワインディングとは、2台の固定式産業用ロボットと、特注の軽量ドローンまたはUAVを使用して、ロボット間の隙間に長大な構造物を製造することを意味します（図3）。簡単に言えば、製造レイアウトは、両方のマシンの長所を活用する有利な分業を確立します。ロボットを使用して、樹脂を含浸させたロービングを巻線フレームに正確に配置し、ドローンが繊維をスプールからそれぞれにシャトルします。これにより、ロボットエンドエフェクタのリーチエンベロープによって部品サイズに課せられる制限を回避します。これまで、ロボットの到達範囲を超える大きな部品を製造するための主な代替手段は、モジュール化によって部品を製造することでした。これは、特に製造された構造が耐荷重性である場合、理想的とは言えないプロセスです。

このプロジェクトは、大学の8人の研究者の作業であり、 Acadia の2017年11月版に掲載された論文「Multi-MachineFabrication」に要約されています。 、インテリア建築と空間デザインのジャーナル。ワークセルは、2台の6軸KUKA（ドイツ、アウグスブルク）KR 210 R3100 Ultraロボットで構成され、スチールエクステンション、UAVから巻線エフェクターをつかむための油圧グリッパー、およびロボットの位置をUAVと同期するために使用される赤外線カメラが装備されています。 。押し出しおよび圧延アプリケーションで使用される張力装置に基づくカスタム張力メカニズムにより、繊維源からUAVまたはロボットに渡される繊維張力を制御できます。

プロジェクト研究者の1人であるJamesSollyは、カスタムビルドのドローンの最終設計は、チームがドローンの重量を最適化し、飛行動作を安定させることを可能にする設計プロセスで、以前の4つのプロトタイプから派生したと述べています。ドローン本体の部品は標準のカーボンプレートから機械加工され、航空機のアームは20mmのカーボンチューブから製造されました。コネクタやスペーサーなどの他の小さな部品は、ポリ乳酸（PLA）から3Dプリントされました。ドローンの寸法は約92x 92 x 31 cmで、車両は約2kgのペイロードを運ぶことができます。

単一のアンカーポイントを巻き上げるために、ロボットアームは、含浸されたファイバーをラミネートの上に持ち上げた状態で、巻き取りフレームの周りを移動します。アンカーポイントに到達すると、ロボットはファイバーをその周りに巻き付け、UAVが待機している着陸プラットフォームに巻き取りエフェクターを戻します。交換が確認されると、張力メカニズムが低張力に切り替わり、ドローンが巻き戻しファイバーを次のロボットプラットフォームに運びます。研究者たちは、ロボットドローンセルを使用して、従来の自動ファイバーワインディングセットアップでは製造できなかった部品の形状とサイズの例として、長さ12mのデモンストレーターカンチレバーを製造しました（図4）。この部品は、Lange + Ritter GmbH（ドイツ、ゲルリンゲン）から寄贈されたシングルエンド連続ガラスロービングSE1500-2400texと、SGL Technologies GmbH（ドイツ、ヴィースバーデン）から寄贈されたSIGRAFIL連続カーボンファイバートウCT50-4.0 / 240-E100で構成されていました。繊維には、Hexion（Columbus、OH、US）から供給されたEPIKURE MGS LH138硬化剤を配合したEPIKOTEMGS LR135エポキシ樹脂を事前に含浸させました。部品は、ファイバーディップ樹脂浴に含浸されたプレプレグファイバーとドライファイバーを使用して製造されました。 Sollyは、プロジェクトによって実証されたプロセスが、ボールルームの屋根や歩道橋など、垂直サポート間のスパンが長い水平構造を作成するのに最適であり、自重の削減によって使用される材料とコストの大幅な削減が期待できると報告しています。彼と彼の同僚は、7月16〜20日に米国マサチューセッツ州ボストンで開催される国際シェルおよび空間構造協会（IASS 2018）の会議で発表される論文で、プロセスとその応用について詳しく説明すると報告しています。

別の産業関連プロジェクトでは、MITメディアラボの研究チームが、無線周波数ID（RFID）タグを介して倉庫の在庫を見つけて識別するためのドローンの使用を調査しています。現代の倉庫および出荷業務の規模の拡大によってもたらされた在庫会計慣行の改善の必要性は、しばらくの間認識されてきました。手動スキャンは手間がかかり、コストがかかり、エラーが発生しやすくなります。たとえば、ウォルマートは2013年に、在庫記録と実際の在庫との不一致により、30億米ドルを超える収益を失ったと報告しました。

MITチームは、柔軟なプラスチックローターを備えた小型で軽量のドローン（人間の近くでの使用が承認されている唯一のタイプ）が、平均的なエ​​ラーでタグの位置を特定しながら、数十メートル離れた場所からRFIDタグを読み取ることができるプロトタイプの開発に成功しました。約19cmの。

Bebop-2 研究に使用されたドローンは、Parrot Corp.（パリ、フランス）によって製造されています。写真撮影などの用途向けに低振動を示すように特別に設計されたドローンは、EMS-CHEMIE AG（Domat / Ems、スイス）が提供するガラス充填グリラミドTRナイロン製の胴体を備えています。各ドローンの重量は約500gで、約25分間自律飛行できます。彼らは人々の周りでの使用が承認されていますが、ドローンは小さすぎて数センチ以上の範囲のRFIDリーダーを運ぶことができません。代わりに、これは重要な研究のブレークスルーです。ドローンは、標準のRFIDリーダーから発信された信号をRFIDタグに中継するために使用されます。信号がタグに到達すると、タグは信号にその識別子をエンコードしてから、ドローンに送り返します。ドローンは信号をリーダーに転送し、リーダーは識別子、つまりアイテムとアイテムの場所をデコードします。チームは現在、長距離での位置特定メカニズムの精度を向上させるとともに、プロセスの速度とスケーラビリティを向上させる方法に取り組んでいます。

新しいドローンアプリケーションに拍車をかけるイノベーション

材料サプライヤー、契約3D印刷メーカー、および印刷機器サプライヤーは、ドローンメーカーからのビジネスの成長を報告しており、このビジネスにサービスを提供するための新製品と機能を開発しています。

Clearwater Composites LLC（米国ミネソタ州ダルース）は、産業機器、ロボット工学、航空宇宙、スポーツ用品、UAVのメーカーに供給する一連の炭素繊維チューブとプレートを製造しています。さまざまな形状のチューブは、主にマンドレルに一方向炭素繊維エポキシプリプレグをロールラップして、250°Cで硬化させて作られています。チューブは標準、高、超高弾性率のグレードで作られ、後者はピッチファイバーで作られています。同社は、圧縮成形または真空注入を介して、同様の材料から最大1.2m x2.4mのシートでさまざまな厚さのプレートを製造しています。 Jeff Engbrecht社長は、UAVの顧客は通常、北米を拠点とする企業であり、ハイエンドの産業および航空宇宙アプリケーション向けにUAVを設計および構築していると述べています。

クリアウォーターは、顧客の1人であるUAV /ドローンの設計者および製造業者に、東レ（東京、日本）製のカスタムテーパーの薄壁（0.03インチ/0.76mm）チューブを供給していると報告しています。高弾性M46Jカーボンファイバー。チューブは、不特定の新しい用途のために、一方の端が丸く、もう一方の端が楕円形に先細になっています。

Stratus Aeronautics（Burnaby、BC、Canada）は、主に科学研究、鉱業、軍事およびその他の用途で磁気および航空測量を実施するために使用されるドローンを製造しています。これらのサーベイドローンは、固定翼構成とマルチローター構成の両方で設計および構築されており、パイロット航空機に比べてコスト面で大きなメリットがあります。

会社の固定翼ベンチャー r UAV（図5）は、100 ccの2ストロークガスエンジンを搭載した小型軽量の航空機であり、パイロット航空機では不可能な、長時間（> 10時間）のミッションが可能です。

飛行機は、炭素繊維プリプレグから成形された機体、フォームコアを備えたセミモノコックを備えた翼、およびコアを備えていないモノコック胴体を備えています。

同社の最高技術責任者であるCurtisMullen氏は、新しい電気マルチローターUAVの設計とテストはほぼ完了していると述べています。長さ3m、重さ約15kgで、電子機器を除いて、完全に炭素繊維複合材で作られています。 「シャーシは、CNCルーティングされたカーボンプレートで作られた自動調心のモノコック構造です」とMullen氏は報告します。局所的な荷重に応じて、繊維の配向と弾性率が変化する管状炭素が、構造の残りの部分を構成します。 CW 7月のプレスタイム、同社は6月/ 7月の時間枠で建設と飛行試験を完了し、ベンチュラーを紹介する予定でした。 2018年後半に市場に投入されます。

ドローンは3Dプリントとダブテール

ドローン技術の急速な発展を考えると、ドローンビルダーが複合材料の積層造形に弾みをつけたことは当然のことです。ドローンの設計者は、大判3Dプリンターを使用して、プロセスが最初に考案されたラピッドプロトタイピングを行うだけでなく、プロセスが進化するにつれて、ドローンOEMが必要とする迅速なターンアラウンドタイムに対応するために、工具や完成部品も提供しています。 。

Impossible Objects（Northbrook、IL）は、最近、Aurora Flight Sciences（Manassas、VA）と提携して、25.4 mmのチョップで強化された高密度ポリエチレン（HDPE）から76 x 38mmのリアスタビライザーマウントを3Dプリントしました。複合ベースの積層造形（CBAM）技術を使用した炭素繊維。この部品は、当時開発中の新しい航空機に取り付けられ、壊れていた非強化ナイロン製の部品と交換されました。アディティブマニュファクチャリングテクノロジーは、プロトタイプやテストパーツの作成に頻繁に使用されていますが、ImpossibleObjectsのCEOであるLarryKaplanは、現在、ドローンのパーツの商用で大量のアプリケーションの保護に取り組んでいると述べています。アプリケーションの詳細はまだ詳しく説明できませんが、Kaplanは、同社が開発した新しい耐高温性の炭素繊維/ナイロンおよび炭素繊維/ PEEK材料が含まれると報告しています。 「私たちは強化PEEK材料を使用する唯一の複合材料メーカーです」とカプランは主張し、高温耐性のある材料が部品や金型に対してますます需要が高まっていることを指摘しています。

プリンターサプライヤーのStratasysInc。（Eden Prairie、MN、US）は、複合部品の成形用の3D印刷工具技術の継続的な開発と商業化において、材料サプライヤーおよび航空宇宙/ドローン製造業者と提携しています。 Stratasysの複合ソリューション担当シニアディレクターであるTimothySchniepp氏は、同社の溶融堆積モデリング（FDM）マシンは、ほとんどのツールを2〜3日以内に製造できるため、顧客は1週間以内に部品を成形できると述べています。同社の高温材料であるUltem1010は、SABIC（米国マサチューセッツ州ピッツフィールド）によって製造されたポリエーテルイミド（PEI）であり、温度が上がるまでオートクレーブ加工された工具を含む、すべてのレイアップ工具の製造に適した汎用の未充填材料です。 300°Fまで。

Swift Engineering Inc.（San Clemente、CA、US）は、FDMとUltem 1010を使用して、UAVの炭素繊維強化エポキシプロペラブレード用の圧縮金型の半分を製造しました。 356 x 102 x 51 mmのツールは30時間のビルド時間を要し、手動で研磨して2液型エポキシでシールし、表面仕上げRa（粗さ平均）は約0.4µmになりました。

Rock West Composites（ウェストジョーダン、ユタ州、米国）は、Stratasysと協力して、テストパーツを成形することにより、ツール設計の一部を検証しています。同社の事業開発ディレクターであるエイドリアン・コーベット氏は、ドローン業界はより多くの3D印刷部品を製品に組み込んでおり、3D印刷ツールは、エポキシやその他の工具材料からの工作機械と比較して明らかな利点を提供すると述べています。 「これにより、ツールを印刷できるのと同じくらい速く部品を作成できます」と彼は言います。

要するに、新しいドローン多作の時代が出現し、ここにあります。幸いなことに、複合材業界の多くの人にとって、この場合の変化は良いことです。