Nos últimos anos, os veículos aéreos não tripulados (drones) têm sido amplamente utilizados em vários campos, desde agricultura, inspeção de infraestrutura, investigação de desastres e outras aplicações industriais até aplicações de lazer. Existem vários tipos de UAVs, mas o principal são as aeronaves com múltiplos rotores com quatro ou mais rotores para controlar o movimento e a altura. Uma fuselagem com várias asas deve ser leve para aumentar a carga útil e rígida para suportar o empuxo. Embora a estrutura seja de fácil fabricação, alguns problemas devem ser considerados, como o aumento de peso devido à junção de múltiplas partes e a limitação da estrutura corporal devido ao formato do material. A fim de alcançar portabilidade e funcionalidade, é uma maneira ideal de usar 3D CFRP para fabricar fuselagem. Ao otimizar o arranjo do material, uma certa quantidade de material desnecessário pode ser eliminada e as fibras podem ser orientadas para tirar vantagem da anisotropia em relação à carga. Otimização da estrutura da fuselagem por topologia A equipe colaborativa projetou a forma inicial da parte superior para análise, usando a fuselagem existente como base. Embora os projetos de fuselagem existentes tenham bordas, eles redesenham superfícies lisas e contínuas e ângulos de inclinação adequados, levando em consideração a usinabilidade do molde. O centro é plano e pode acomodar a antena do receptor GPS.
Modelo de formato inicial para análise. O centro é plano e pode acomodar a antena do receptor GPS.
O corpo existente é feito de resina ABS com uma espessura de cerca de 1,5 mm e tem uma estrutura de concha de monômero em forma de saco completamente fechada. Por este motivo, uma casca com espessura de 2 mm é usada como modelo de análise para calcular a faixa do projeto. Como a fibra de carbono será colocada em uma área plana ao redor da antena GPS, essa área não está incluída no escopo do projeto. A fuselagem é composta pela parte superior e a parte inferior da fuselagem, que são conectadas por uma pluralidade de juntas e parafusos. O estado de fixação é simulado ligando os elementos de posição do parafuso. Condições de limite e resultados de otimização de topologia
Quando uma aeronave paira no ar, o corpo é submetido a várias forças que são difíceis de medir ou estimar. Neste projeto, como um caso modelo sem usar as condições reais, a equipe fixou a base sobre a qual a carga seria fixada e criou as condições para seis variações diferentes de carga / torque aplicadas aos quatro cantos do rotor (caso de carga). Em seguida, é determinada a forma que produz a maior rigidez em seis casos de carga diferentes. Os resultados da análise deste artigo são os resultados da otimização para a situação específica do modelo e não podem ser amplamente aplicados à máquina real.
Redesenhe a forma de acordo com os resultados da otimização. Considerando todos os seis casos de carga, os resultados da otimização levam à forma completamente coberta por um padrão de grade relativamente uniforme. A definição de várias condições de limite pode levar a resultados de alto rendimento. Os resultados da análise são dados de malha de elemento finito, que não podem ser usados como dados CAD. Portanto, a forma aprimorada da fuselagem é reconstruída de acordo com os resultados. Método de fabricação: tecnologia de colocação de fibra personalizada (TFP) A colocação de fibra personalizada é um dos métodos usados para fazer pré-formas, em que um monte de fibras de carbono longas contínuas são costuradas no pano de base. Embora o método tenha sido aplicado em peças de aeronaves e outras aplicações, quase não há caso comercial no Japão, e o desenvolvimento futuro dos negócios pode ser esperado com o estabelecimento da tecnologia o mais rápido possível. Neste estudo, usando este método, as fibras de carbono são organizadas de acordo com os resultados da otimização para melhorar o desempenho da aeronave sem perder a anisotropia. Uma vez que a pré-forma é feita em forma plana, a pré-forma deve ser projetada de tal forma que a forma após a formação seja plana e desdobrada, de modo que a forma 3D possa ser reconstruída no molde durante o processo de formação.
Moldagem VARTM CFRP VARTM é uma tecnologia de moldagem por transferência de resina (RTM) na qual o molde é usado para moldagem e a sucção de pressão a vácuo é aplicada durante a impregnação de resina líquida. Uma pré-forma é colocada em um molde de alumínio de um lado (molde fêmea na superfície externa da fuselagem) e selada com material de ensacamento. A sucção a vácuo é utilizada para auxiliar na impregnação de resinas termofixas, que são então curadas em autoclave. Devido ao tamanho ligeiramente maior da pré-forma, as fibras do primeiro protótipo são serrilhadas. Para corrigir isso, na fase de projeto do segundo protótipo, as dimensões são ajustadas alterando o valor de deslocamento entre o plano central da pré-forma e a superfície da fuselagem. O primeiro protótipo tem problemas de qualidade, incluindo impregnação de resina insuficiente na fibra de carbono e espaço residual e vazios no feixe de fibra de carbono. No processo de ensacamento a vácuo, impregnação e produção em autoclave, foram adotadas as seguintes contramedidas: alteração do processo de corte da tela de vidro; Reduza a viscosidade da resina; Invertendo o lado do molde da configuração da pré-forma; Altere o processo de impregnação. Os resultados mostram que o efeito de impregnação da tela de vidro é melhor, porém há mais vazios na superfície e no interior do feixe de fibra de carbono. No momento, mais pesquisas são necessárias para melhorar a qualidade das peças moldadas. A equipe realizou testes de vôo na aeronave e avaliou sua praticabilidade. O piloto testou a manobrabilidade. Os resultados são satisfatórios, pois a resposta durante a direção é melhor do que a das aeronaves de resina ABS. Espera-se que a combinação de otimização de topologia e materiais CFRP forneça peças estruturais de alto desempenho com peso leve e alta rigidez. Este estudo verificou que a estrutura tridimensional de CFRP pode ser formada usando pré-forma TFP em corpo de múltiplas asas. No futuro, ao acumular o conhecimento de projetos de pré-formas e métodos de moldagem de compósitos de fibra de carbono, pode-se esperar que eles sejam amplamente utilizados em vários produtos do campo aeroespacial.
