En els darrers anys, els vehicles aeris no tripulats (drons) s’han utilitzat àmpliament en diversos camps, des de l’agricultura, la inspecció d’infraestructures, la investigació de desastres i altres aplicacions industrials fins a aplicacions d’oci. Hi ha diversos tipus d’avions, però el principal és l’avió multi rotor amb quatre o més rotors per controlar el moviment i l’alçada. Un fuselatge de diverses ales ha de ser lleuger per augmentar la càrrega útil i rígid per suportar l’empenta. Tot i que l’estructura és fàcil de fabricar, cal tenir en compte alguns problemes, com l’augment de pes a causa de la unió de diverses parts i la limitació de l’estructura del cos a causa de la forma del material. Per tal d’aconseguir portabilitat i funcionalitat, és una manera ideal d’utilitzar CFRP 3D per fabricar fuselatge. En optimitzar la disposició del material, es pot eliminar una certa quantitat de material innecessari i les fibres es poden orientar per aprofitar l’anisotropia en relació amb la càrrega. Optimització de l'estructura del fuselatge per topologia L'equip col·laboratiu va dissenyar la forma inicial de la part superior per a l'anàlisi, utilitzant el fuselatge existent com a base. Tot i que els dissenys de fuselatge existents tenen vores, redissenyen superfícies llises i contínues i angles de traçat adequats, tenint en compte la mecanització del motlle. El centre és pla i pot allotjar l’antena del receptor GPS.
Model de forma inicial per analitzar. El centre és pla i pot allotjar l’antena del receptor GPS.
El cos existent està fet de resina ABS amb un gruix d’uns 1,5 mm i té una estructura de carcassa de monòmer completament tancada en forma de bossa. Per aquest motiu, s’utilitza una closca amb un gruix de 2 mm com a model d’anàlisi per calcular l’interval de disseny. Com que la fibra de carboni es col·locarà en una zona plana al voltant de l'antena GPS, aquesta àrea no s'inclou a l'abast del disseny. El fuselatge està compost per la part superior i la part inferior del fuselatge, que estan connectades per una pluralitat de juntes i cargols. L'estat de fixació es simula enllaçant els elements de posició del cargol. Condicions límit i resultats d'optimització de topologia
Quan un avió plana a l’aire, el cos està sotmès a diverses forces difícils de mesurar o estimar. En aquest projecte, com a cas model sense utilitzar condicions reals, l’equip va fixar la base sobre la qual s’adheriria la càrrega i va crear les condicions per a sis variacions diferents de càrrega / par aplicades a les quatre cantonades del rotor (cas de càrrega). A continuació, es determina la forma que produeix la rigidesa més alta en sis casos de càrrega diferents. Els resultats de l'anàlisi d'aquest document són els resultats d'optimització per a la situació del model específic i no es poden aplicar àmpliament a la màquina real.
Redissenyar la forma segons els resultats de l'optimització Tenint en compte els sis casos de càrrega, els resultats de l'optimització condueixen a la forma completament coberta per un patró de quadrícula relativament uniforme. Establir diverses condicions límit pot conduir a resultats potencialment elevats. Els resultats de l’anàlisi són dades de malla d’elements finits, que no es poden utilitzar com a dades CAD. Per tant, la forma millorada del fuselatge es reconstrueix segons els resultats. Mètode de fabricació: tecnologia de col·locació de fibra personalitzada (TFP) La col·locació de fibra personalitzada és un dels mètodes que s’utilitzen per fabricar preformes, en què es cusen un munt de fibres de carboni llargues contínues sobre el drap base. Tot i que el mètode s’ha aplicat en peces d’avions i altres aplicacions, gairebé no hi ha cap cas comercial al Japó i es pot esperar el futur desenvolupament del negoci establint la tecnologia el més aviat possible. En aquest estudi, mitjançant aquest mètode, les fibres de carboni es disposen segons els resultats d’optimització per millorar el rendiment de l’avió sense perdre l’anisotropia. Com que la preforma es fabrica en forma plana, la preforma s’ha de dissenyar de manera que la forma després de formar-la sigui plana i desplegada, de manera que es pugui reconstruir la forma 3D al motlle durant el procés de conformació.
Emmotllament VARTM CFRP VARTM és una tecnologia d’emmotllament per transferència de resina (RTM) en què el motlle s’utilitza per emmotllar-se i s’aplica la succió a pressió de buit durant la impregnació de resina líquida. Es col·loca una preforma en un motlle d'alumini d'una sola cara (motlle femení a la superfície exterior del fuselatge) i es tanca amb material d'ensacat. La succió al buit s’utilitza per ajudar a la impregnació de resines termoestables, que després es curen en un autoclau. A causa de la mida una mica més gran de la preforma, les fibres del primer prototip estan serrades. Per corregir-ho, a la fase de disseny del segon prototip, les dimensions s’ajusten canviant el valor de desplaçament entre el pla central de la preforma i la superfície del fuselatge. El primer prototip té problemes de qualitat, inclosa la impregnació de resina insuficient a la fibra de carboni i l’espai residual i buits al paquet de fibra de carboni. En el procés d’ensacat al buit, impregnació i producció d’autoclaus, es van adoptar les següents mesures: canviar el procés de tall de tela de vidre; Reduir la viscositat de la resina; Invertir el costat del motlle de la configuració de la preforma; Canvieu el procés d’impregnació. Els resultats mostren que l’efecte d’impregnació de les teles de vidre és millor, però hi ha més buits a la superfície i a l’interior del paquet de fibra de carboni. Actualment, cal investigar més per millorar la qualitat de les peces modelades. L’equip va realitzar proves de vol a l’avió i en va avaluar la practicabilitat. El pilot va provar la maniobrabilitat. Els resultats són satisfactoris, perquè la resposta durant la direcció és millor que la dels avions de resina ABS. S’espera que la combinació de l’optimització de la topologia i els materials CFRP proporcionin peces estructurals d’alt rendiment amb una rigidesa lleugera i alta. Aquest estudi va comprovar que l'estructura tridimensional de CFRP es pot formar mitjançant l'ús de la preforma TFP en el cos de diverses ales. En el futur, acumulant els coneixements sobre el disseny de preformes i els mètodes d’emmotllament compost de fibra de carboni, es pot esperar que s’utilitzi àmpliament en diversos productes del camp aeroespacial.
