Avión de rotor múltiple Ns1110 hecho de plástico continuo reforzado con fibra de carbono

En los últimos años, los vehículos aéreos no tripulados (drones) se han utilizado ampliamente en diversos campos, desde agricultura, inspección de infraestructura, investigación de desastres y otras aplicaciones industriales hasta aplicaciones de ocio. Hay varios tipos de vehículos aéreos no tripulados, pero la corriente principal son los aviones multirrotor con cuatro o más rotores para controlar el movimiento y la altura. Un fuselaje de alas múltiples debe ser ligero para aumentar la carga útil y rígido para soportar el empuje. Si bien la estructura es fácil de fabricar, hay que tener en cuenta algunos problemas, como el aumento de peso debido a la unión de múltiples piezas y la limitación de la estructura de la carrocería debido a la forma del material. Para lograr portabilidad y funcionalidad, es una forma ideal de utilizar 3D CFRP para fabricar fuselajes. Optimizando la disposición del material, se puede eliminar una cierta cantidad de material innecesario y las fibras se pueden orientar para aprovechar la anisotropía en relación con la carga. Optimización de la estructura del fuselaje por topología El equipo colaborativo diseñó la forma inicial de la parte superior para su análisis, tomando como base el fuselaje existente. Aunque los diseños de fuselaje existentes tienen bordes, rediseñan superficies lisas y continuas y ángulos de tiro adecuados, teniendo en cuenta la maquinabilidad del molde. El centro es plano y puede acomodar la antena del receptor GPS.

Modelo de forma inicial para análisis. El centro es plano y puede acomodar la antena del receptor GPS.

El cuerpo existente está hecho de resina ABS con un grosor de aproximadamente 1,5 mm y tiene una estructura de carcasa de monómero en forma de bolsa completamente cerrada. Por esta razón, se utiliza una carcasa con un espesor de 2 mm como modelo de análisis para calcular el rango de diseño. Dado que la fibra de carbono se colocará en un área plana alrededor de la antena GPS, esta área no se incluye en el alcance del diseño. El fuselaje está compuesto por la parte superior y la parte inferior del fuselaje, que están conectadas por una pluralidad de juntas y tornillos. El estado de fijación se simula uniendo elementos de posición de los tornillos. Condiciones de contorno y resultados de optimización de topología

Cuando una aeronave vuela en el aire, el cuerpo está sujeto a diversas fuerzas que son difíciles de medir o estimar. En este proyecto, como un caso modelo sin utilizar las condiciones reales, el equipo fijó la base sobre la que se uniría la carga y creó las condiciones para seis variaciones diferentes de carga / par aplicadas a las cuatro esquinas del rotor (caso de carga). Luego, se determina la forma que produce la mayor rigidez bajo seis casos de carga diferentes. Los resultados del análisis de este documento son los resultados de optimización para la situación del modelo específico y no se pueden aplicar ampliamente a la máquina real.

Rediseñe la forma de acuerdo con los resultados de la optimización Teniendo en cuenta los seis casos de carga, los resultados de la optimización conducen a que la forma esté completamente cubierta por un patrón de cuadrícula relativamente uniforme. El establecimiento de múltiples condiciones de contorno puede conducir a resultados potencialmente de alto rendimiento. Los resultados del análisis son datos de malla de elementos finitos, que no se pueden utilizar como datos CAD. Por lo tanto, la forma mejorada del fuselaje se reconstruye de acuerdo con los resultados. Método de fabricación: tecnología de colocación de fibra personalizada (TFP) La colocación de fibra personalizada es uno de los métodos utilizados para hacer preformas, en el que se cosen un manojo de fibras de carbono largas y continuas sobre la tela base. Aunque el método se ha aplicado en piezas de aviones y otras aplicaciones, casi no existe un caso comercial en Japón, y se puede esperar el desarrollo comercial futuro estableciendo la tecnología lo antes posible. En este estudio, al utilizar este método, las fibras de carbono se ordenan de acuerdo con los resultados de optimización para mejorar el rendimiento de la aeronave sin perder anisotropía. Debido a que la preforma se fabrica en forma plana, la preforma debe diseñarse de tal manera que la forma después de la formación sea plana y se despliegue, de modo que la forma 3D pueda reconstruirse en el molde durante el proceso de formación.

VARTM CFRP moulding VARTM es una tecnología de moldeo por transferencia de resina (RTM) en la que el molde se utiliza para moldear y se aplica succión de presión al vacío durante la impregnación de resina líquida. Se coloca una preforma en un molde de aluminio de una sola cara (molde hembra en la superficie exterior del fuselaje) y se sella con material de embolsado. La succión al vacío se utiliza para ayudar en la impregnación de resinas termoendurecibles, que luego se curan en un autoclave. Debido al tamaño ligeramente mayor de la preforma, las fibras del primer prototipo son dentadas. Para corregir esto, en la fase de diseño del segundo prototipo, las dimensiones se ajustan cambiando el valor de compensación entre el plano central de la preforma y la superficie del fuselaje. El primer prototipo tiene problemas de calidad, incluida la impregnación de resina insuficiente en la fibra de carbono y el espacio residual y los huecos en el haz de fibra de carbono. En el proceso de embolsado al vacío, impregnación y producción en autoclave, se adoptaron las siguientes contramedidas: cambiar el proceso de corte de la tela de vidrio; Reducir la viscosidad de la resina; Invertir el lado del molde del ajuste de la preforma; Cambiar el proceso de impregnación. Los resultados muestran que el efecto de impregnación de la tela de vidrio es mejor, pero hay más huecos en la superficie y el interior del haz de fibra de carbono. En la actualidad, se necesita más investigación para mejorar la calidad de las piezas moldeadas. El equipo realizó pruebas de vuelo en la aeronave y evaluó su viabilidad. El piloto probó la maniobrabilidad. Los resultados son satisfactorios, porque la respuesta durante el gobierno es mejor que la de los aviones de resina ABS. Se espera que la combinación de optimización de topología y materiales CFRP proporcione piezas estructurales de alto rendimiento con ligereza y alta rigidez. Este estudio verificó que la estructura tridimensional de CFRP se puede formar utilizando una preforma de TFP en un cuerpo de múltiples alas. En el futuro, al acumular el conocimiento del diseño de preformas y los métodos de moldeo de compuestos de fibra de carbono, se puede esperar que sea ampliamente utilizado en varios productos del campo aeroespacial.