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Drones :les drones composites prennent leur envol

Changement, mieux encore, changement rapide. Cela caractérise le mieux l'état actuel de la conception et de la fabrication des véhicules aériens sans pilote (UAV). Un grand changement est la terminologie. Les drones sont désormais des drones , et la technologie des drones, à une époque presque exclusivement limitée aux missions militaires, défient les définitions restrictives et trouvent une utilisation dans de nombreuses applications industrielles, commerciales et grand public de pointe. Ne se limitant plus au contrôle par les humains au sol, les drones façonnent également le destin de la technologie autonome - ce qu'elle sera et comment elle peut être utilisée.

Sur le radar :drones pour la communication, l'automatisation

L'une des grandes promesses de l'utilisation des composites dans les drones est de permettre aux systèmes persistants et de longue durée de fournir un accès Internet Wifi étendu. Idéalement, ces drones seraient alimentés à l'énergie solaire et capables de desservir des zones terrestres de plusieurs kilomètres carrés avec un accès Internet ininterrompu pendant des semaines à la fois. Il existe au moins deux programmes poursuivant cette technologie, et les résultats jusqu'à présent sont prometteurs, même s'ils sont mitigés.

L'un est l'œuvre du géant des médias sociaux Facebook (Menlo Park, CA, États-Unis) et l'autre, un produit du Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, MA, États-Unis). Chacun a construit et fait voler des prototypes et vise à atteindre des durées de vol d'UAV sans précédent avec des conceptions radicalement nouvelles, qui, par nécessité, espèrent maximiser les avantages des composites avancés.

En développement depuis 2014, Aquila de Facebook (Fig. 1), un drone à quatre hélices, entièrement en fibre de carbone et à énergie solaire, a été testé à deux reprises. En 2016, il a volé pendant 96 minutes en dessous de 305 m, et l'année dernière, il a volé pendant environ 106 minutes, atteignant une altitude de 914,4 m. L'Aquila est destiné aux grandes choses :Aquila's la clientèle cible déclarée est de plusieurs milliards personnes dans le monde sans accès en ligne fiable. Compte tenu de l'énorme échelle géographique, le drone doit être capable de vol très long et ininterrompu, ce qui, à son tour, a des conséquences profondes pour Aquila performances de vol et paramètres de conception. Facebook doit construire et lancer des avions sans pilote capables de voler en continu pendant mois et à très haute altitude - 60 000-90 000 pieds (18 290-27 430 m). À cette hauteur, le drone peut fournir une couverture WiFi sur environ 60 miles carrés. Lorsque la technologie sera perfectionnée, le PDG de Facebook, Mark Zuckerberg, a déclaré qu'il avait l'intention de construire une flotte de drones.

Bien que ce soit potentiellement une bonne nouvelle pour l'industrie des composites, Facebook a publié peu de détails techniques spécifiques sur l'Aquila ou les matériaux en fibre de carbone et le stratifié utilisés pour le construire. CW a appris que la version testée en vol a une « envergure plus large qu'un Boeing 737 », ce qui la situe dans une plage de 110 pieds (± 34 m). Renonçant au poids et à la traînée supplémentaires du train d'atterrissage conventionnel, l'Aquila est également équipé d'un « patin d'atterrissage » en Kevlar collé au bas des nacelles du moteur, l'une des raisons pour lesquelles il ne pèse qu'environ 1 000 lb (454 kg), avec environ la moitié de cette masse représentée par les batteries. Zuckerberg, cependant, a clairement indiqué que le drone devait être encore plus léger.

Lorsqu'il se déplace contre le vent, le drone vole, par conception, à une vitesse terrestre de seulement 10 à 15 mph, ce qui le maintient centré sur la zone cible destinée à recevoir le signal. Le système de communication utilisera des lasers pour transférer les données, ce qui est environ 10 fois plus rapide que la fibre optique terrestre. Sur la deuxième version du drone, la plus récente, un matériau de revêtement non spécifié appliqué sur les ailes a créé une « finition plus lisse » et est crédité d'avoir doublé son taux de montée à 54,9 m/min, par rapport au taux de montée du premier drone. Cela dit, il reste à voir si Aquila des objectifs ambitieux de durée de vol peuvent être atteints en utilisant uniquement l'énergie solaire. Les principaux défis du projet dans la prochaine phase, selon les articles sur l'Aquila Facebook, sont l'efficacité des panneaux solaires, le stockage de la batterie et la réalisation de paradigmes de coûts acceptables pour le fonctionnement. Facebook dit qu'il a l'intention d'étendre le programme de test pour inclure des drones avec différents "facteurs de forme, tailles et poids" et voler à des altitudes plus élevées lors de la prochaine série de vols d'essai.

Pendant ce temps, une équipe d'ingénieurs du MIT a conçu, construit et testé un drone d'une envergure de 24 pieds (7,32 m), entièrement fabriqué à partir de composites renforcés de fibre de carbone et de Kevlar (Fig. 2), L'objectif du projet de développement d'UAV, baptisé Jungle Hawk Owl et financé par l'US Air Force (Gateways Branch, AFLCMC/HNAG, Hanscom Air Force Base, Bedford, MA, US), est un peu plus modeste que celui de l'Aquila de Facebook . L'objectif est de construire un drone capable de rester en l'air pendant cinq jours ou plus, dans des latitudes géographiques hautes et basses, en toutes saisons, à une altitude d'environ 4 572 m. Un tel drone serait conçu pour fonctionner comme un hub de communication, fournissant des connexions Internet/téléphoniques temporaires sur une vaste zone en cas de panne de courant ou de service à grande échelle.

La conception du drone a été calquée sur un planeur, avec un profil aérodynamique typiquement mince. La première version à grande échelle, testée en vol l'année dernière à une altitude maximale de 122 m, a une épaisseur d'aile de 42,4 mm se rétrécissant à 20,8 mm, et un poids total à vide de seulement 12,7 kg. Une fois les ajustements mineurs apportés à l'avion et à son système de lancement automobile sur le toit, Des essais en vol à haute altitude sont prévus pour cet été, le drone transportant une charge utile complète d'équipements de communication et de carburant, pesant jusqu'à 45,4 kg.

John Hansman, professeur d'aéronautique et d'astronautique au MIT et l'un des membres du personnel supervisant les recherches des étudiants, une collaboration entre le MIT et le MIT Lincoln Laboratory (Lexington, MA, États-Unis), rapporte que les ailes comprennent un noyau sandwich moulé dans un deux- processus par étapes. Pour obtenir la précision aérodynamique nécessaire, la peau de l'extrados de l'aile a été moulée séparément, par infusion sous vide, à partir d'un pli de tissu en fibre de carbone unidirectionnel orienté à 90° par rapport à la longueur de l'envergure. Pour fabriquer la peau d'aile inférieure, des capuchons de longeron d'épaisseur variable ont été moulés à partir d'un tissu unidirectionnel et placés dans le moule. De la mousse de polystyrène a ensuite été placée autour et entre les chapeaux de longeron, et la peau inférieure a été mise sous vide dans un sac en place contre la construction. La peau supérieure a ensuite été ajustée au fond et enveloppée dans une étoupe 12K. Tous les tissus ont été imprégnés de West Systems 105, un époxy à faible viscosité fourni par Gougeon Bros. Inc. (Bay City, MI, États-Unis). Tous les moules ont été usinés CNC à partir de mousse de polyuréthane RenShape 440, fournie par Freeman Manufacturing &Supply Co. (Avon, OH, US).

Pour fabriquer le fuselage, qui abrite son moteur à essence (voir l'article parallèle « Drones :le logiciel MIT jette le doute sur les drones à énergie solaire ») et le réservoir de carburant, l'équipe a utilisé un simple moule cylindrique en béton, appliqué deux plis de tissu unidirectionnel, un à 90° et un à 45°, au diamètre intérieur du tube, puis a utilisé un sac sous vide toroïdal placé à travers et autour du tube, pour infuser sous vide le tissu, avec la couche extérieure du stratifié positionnée contre la paroi intérieure du tube. Pour fabriquer le nez, qui contient l'électronique de communication, un moule externe de forme conique a été usiné en deux moitiés à partir de mousse. Une seule couche de tissu Kevlar 0° a été déposée sur les moitiés du moule (qui avaient été collées ensemble) et infusée sous vide.

Drones — nouveaux acteurs de l'industrie

Les drones ont un impact dans le domaine industriel, se déplaçant dans les airs là où il est plus difficile et coûteux pour les travailleurs et les machines conventionnelles, y compris les robots, de se déplacer.

Une application avec un avenir potentiellement énorme est l'inspection de sécurité des pales d'éoliennes vieillissantes. Les drones équipés de caméras pour la surveillance militaire ont été l'une des premières utilisations de la technologie. Aujourd'hui, des drones équipés de caméras spéciales et fonctionnant de manière autonome par un logiciel extrêmement sophistiqué, peuvent inspecter les pales d'un rotor d'éolienne géante en aussi peu que 15 minutes (l'inspection par un humain peut prendre une journée entière) et transmettre des preuves visuelles de dommages aux un portail Web pour une visualisation à l'écran par les inspecteurs dans un environnement plus confortable. CW a couvert ce phénomène commercial croissant basé sur les drones dans son numéro de mai (voir « Service et réparation :Optimiser l'impact de l'énergie éolienne sur le réseau »).

Un groupe de chercheurs de l'Institute for Building Structures and Structural Design et de l'Institute for Computational Design de l'Université de Stuttgart (Stuttgart, Allemagne) a démontré une méthode innovante et intelligente d'utilisation de drones en combinaison avec des robots industriels pour fabriquer une structure composite de longue portée via un processus d'enroulement de fibre. L'enroulement collaboratif, comme on l'appelle, implique l'utilisation de deux robots industriels fixes et d'un drone léger ou d'un « UAV » sur mesure pour fabriquer des structures de longue portée dans l'espace interstitiel entre les robots (Fig. 3). En termes simples, le schéma de fabrication établit une division du travail favorable qui capitalise sur les points forts des deux machines - les robots sont utilisés pour placer avec précision la mèche imprégnée de résine sur le cadre d'enroulement, tandis que le drone transporte la fibre des bobines à chaque des bras robotiques, contournant ainsi la limitation imposée à la taille de la pièce par l'enveloppe de portée de l'effecteur du robot. Jusqu'à présent, la principale alternative à la fabrication de grandes pièces dépassant la portée du robot était de construire la pièce par modularisation, un processus qui n'est pas idéal, surtout si la structure fabriquée est porteuse.

Le projet a été le travail de huit chercheurs de l'Université et est résumé dans l'article « Fabrication multi-machines », publié dans l'édition de novembre 2017 de Acadia , une revue d'architecture d'intérieur et de design d'espace. La cellule de travail comprenait deux robots KUKA (Augsbourg, Allemagne) 6 axes KR 210 R3100 Ultra, équipés d'extensions en acier, d'une pince hydraulique pour saisir l'effecteur d'enroulement du drone et d'une caméra infrarouge utilisée pour synchroniser les emplacements du robot avec le drone. . Un mécanisme de tension personnalisé, basé sur des dispositifs de tension utilisés dans les applications d'extrusion et de laminage, permet de contrôler la tension des fibres lorsqu'elles sont transmises de la source de fibres au drone ou au robot.

James Solly, l'un des chercheurs du projet, a déclaré que la conception finale du drone sur mesure était dérivée de quatre prototypes antérieurs, dans le cadre d'un processus de conception qui a permis à l'équipe d'optimiser le poids du drone et de stabiliser son comportement de vol. Les pièces du corps du drone ont été usinées à partir d'une plaque de carbone standard, tandis que les bras de l'engin ont été fabriqués à partir de tubes de carbone de 20 mm. D'autres pièces plus petites, telles que des connecteurs et des entretoises, ont été imprimées en 3D à partir d'acide polylactique (PLA). Les dimensions du drone sont d'environ 92 x 92 x 31 cm et le véhicule peut transporter une charge utile d'environ 2 kg.

Pour enrouler un seul point d'ancrage, le bras du robot se déplace autour du cadre d'enroulement avec la fibre imprégnée élevée au-dessus du stratifié. Lorsqu'il atteint le point d'ancrage, le robot enroule la fibre autour de celui-ci, puis renvoie l'effecteur d'enroulement vers la plate-forme d'atterrissage où l'UAV attend. Une fois l'échange confirmé, le mécanisme de tension passe en basse tension et le drone transporte la fibre de déroulement jusqu'à la plate-forme robotique suivante. Les chercheurs ont utilisé la cellule de drone robotisé pour fabriquer un démonstrateur en porte-à-faux de 12 m de long comme exemple de la forme et de la taille de pièces qui n'auraient pas pu être produites par une configuration d'enroulement de fibre automatisée traditionnelle (Fig. 4). La partie comprenait une mèche de verre continue à une extrémité, SE1500-2400tex donnée par Lange+Ritter GmbH (Gerlingen, Allemagne) et un câble continu en fibre de carbone SIGRAFIL, CT50-4.0/240-E100, donné par SGL Technologies GmbH (Wiesbaden, Allemagne). Les fibres ont été pré-imprégnées de résine époxy EPIKOTE MGS LR 135 formulée avec l'agent de durcissement EPIKURE MGS LH 138, fourni par Hexion (Columbus, OH, US). La pièce a été fabriquée à l'aide de fibres préimprégnées et de fibres sèches imprégnées dans un bain de résine par immersion de fibres. Solly rapporte que le processus démontré par le projet est le mieux adapté à la production de structures horizontales avec de longues portées entre des supports verticaux, tels que des toits de salle de bal ou des ponts piétonniers dans lesquels la réduction du poids propre peut entraîner des réductions significatives des matériaux utilisés et des coûts. Il rapporte que lui et ses collègues développeront le processus et ses applications avec un article présenté lors de la prochaine conférence de l'Association internationale pour les coques et les structures spatiales (IASS 2018), du 16 au 20 juillet, Boston, MA, États-Unis.

Dans un autre projet industriel, une équipe de recherche du MIT Media Lab étudie l'utilisation de drones pour localiser et identifier l'inventaire des entrepôts via des étiquettes d'identification par radiofréquence (RFID). La nécessité d'améliorer les pratiques de comptabilité des stocks, provoquée par l'augmentation de l'échelle des opérations d'entrepôt et d'expédition modernes, est reconnue depuis un certain temps. La numérisation manuelle est laborieuse, coûteuse et sujette aux erreurs. Walmart, par exemple, a signalé en 2013 une perte de plus de 3 milliards de dollars de revenus en raison d'incohérences entre ses registres d'inventaire et son stock réel.

L'équipe du MIT a développé avec succès un prototype qui permet à de petits drones légers avec des rotors en plastique flexibles - le seul type approuvé pour une utilisation à proximité immédiate des humains - de lire les étiquettes RFID à des dizaines de mètres tout en identifiant les emplacements des étiquettes avec une erreur moyenne. d'environ 19 cm.

Le Bebop-2 les drones utilisés pour l'étude sont fabriqués par Parrot Corp. (Paris, France). Conçu spécifiquement pour présenter de faibles vibrations pour des applications telles que la photographie, le drone est doté d'un fuselage en nylon Grilamid TR rempli de verre, fourni par EMS-CHEMIE AG (Domat/Ems, Suisse). Chaque drone pèse environ 500g et peut voler de manière autonome pendant environ 25 minutes. Bien qu'approuvés pour une utilisation à proximité de personnes, les drones sont trop petits pour transporter un lecteur RFID avec une portée de plus de quelques centimètres. Au lieu de cela - c'est la percée clé de la recherche - les drones sont utilisés pour relayer les signaux émis par un lecteur RFID standard vers une étiquette RFID. Lorsque le signal atteint le tag, le tag encode alors son identifiant sur le signal avant de le renvoyer au drone. Le drone transmet le signal au lecteur qui décode l'identifiant, et donc l'article et la localisation de l'article. L'équipe travaille actuellement à améliorer la précision du mécanisme de localisation sur de plus longues distances, ainsi que des moyens d'améliorer la vitesse et l'évolutivité du processus.

L'innovation stimule de nouvelles applications de drones

Les fournisseurs de matériaux, les fabricants d'impression 3D sous contrat et les fournisseurs d'équipements d'impression signalent une croissance des activités des fabricants de drones et développent de nouveaux produits et capacités pour desservir cette entreprise.

Clearwater Composites LLC (Duluth, MN, États-Unis) produit une gamme de tubes et de plaques en fibre de carbone qu'elle fournit aux fabricants d'équipements industriels, de robotique, d'aérospatiale, d'articles de sport et de drones. Les tubes, dans une variété de formes, sont principalement fabriqués en enroulant sur un mandrin un préimprégné époxy unidirectionnel en fibre de carbone, avec un durcissement à 250°C. Les tubes sont fabriqués dans des grades de module standard, élevé et ultra-élevé, ces derniers étant fabriqués à partir de fibres de brai. L'entreprise fabrique des plaques dans une gamme d'épaisseurs, en feuilles jusqu'à 1,2 m sur 2,4 m, à partir de matériaux similaires par moulage par compression ou par infusion sous vide. Le président Jeff Engbrecht a déclaré que ses clients d'UAV sont généralement des entreprises nord-américaines qui conçoivent et fabriquent des UAV pour des applications industrielles et aérospatiales haut de gamme.

Clearwater, rapporte-t-il, fournit à l'un de ses clients, un concepteur et fabricant d'UAV/drones, un tube conique personnalisé à paroi mince (0,03 pouce/0,76 mm), fabriqué à partir de Toray Industries (Tokyo, Japon) fibre de carbone M46J à haut module. Le tube, pour une nouvelle application non spécifiée, est rond à une extrémité, puis se rétrécit en une forme ovale à l'autre extrémité.

Stratus Aeronautics (Burnaby, BC, Canada) fabrique des drones principalement utilisés pour effectuer des levés magnétiques et aériens dans la recherche scientifique, l'exploitation minière, les applications militaires et autres. Conçus et construits dans des configurations à voilure fixe et à rotors multiples, ces drones d'enquête offrent des avantages de coût significatifs par rapport aux engins pilotés.

Venture à voilure fixe de l'entreprise L'UAV (Fig. 5) est un petit avion léger, propulsé par un moteur à essence à deux temps de 100 cc et capable d'effectuer des missions de longue durée (> 10 heures) — ce qui n'est pas possible avec un engin piloté.

L'avion comprend une cellule moulée en fibre de carbone préimprégnée, des ailes comprenant une semi-monocoque avec noyaux en mousse et un fuselage monocoque sans noyaux.

Curtis Mullen, directeur technique de l'entreprise, déclare que la conception et les tests sont presque terminés pour un nouveau drone électrique multi-rotors. D'une longueur de 3 m et pesant environ 15 kg, il est, à l'exception de l'électronique, entièrement construit à partir de composites en fibre de carbone. "Le châssis est une structure monocoque à alignement automatique en plaque de carbone à fraisage CNC", rapporte Mullen. Le carbone tubulaire d'orientation et de modules de fibres variables, en fonction des charges locales, constitue le reste de la structure. À CW Heure de presse de juillet, la société prévoyait de terminer la construction et les essais en vol dans les délais de juin/juillet et de présenter Venturer sur le marché plus tard en 2018.

Drones en queue d'aronde avec impression 3D

Compte tenu du développement rapide de la technologie des drones, il n'est pas surprenant que les constructeurs de drones aient donné l'impulsion à la fabrication additive de composites. Les concepteurs de drones utilisent non seulement des imprimantes 3D grand format pour effectuer le prototypage rapide pour lequel les processus ont été initialement conçus, mais aussi, à mesure que ces processus évoluent, pour fournir également des outils et des pièces finies, afin de respecter les délais d'exécution rapides requis par les fabricants de drones. .

Impossible Objects (Northbrook, IL), pour sa part, s'est récemment associé à Aurora Flight Sciences (Manassas, VA) pour imprimer en 3D un support de stabilisateur arrière de 76 x 38 mm à partir de polyéthylène haute densité (PEHD) renforcé de 25,4 mm haché fibres de carbone, grâce à sa technologie de fabrication additive à base de composites (CBAM). La pièce a été installée sur un nouvel avion en développement à l'époque, remplaçant une pièce en nylon non renforcé qui se cassait. Bien que la technologie de fabrication additive ait fréquemment été utilisée pour fabriquer des prototypes ou des pièces de test, Larry Kaplan, PDG d'Impossible Objects, a déclaré que la société travaille actuellement à la sécurisation de plusieurs applications commerciales à plus haut volume pour les pièces de drones. Les détails des applications ne peuvent pas encore être détaillés, mais Kaplan rapporte qu'ils impliqueront de nouveaux matériaux en fibre de carbone/nylon et fibre de carbone/PEEK résistants aux hautes températures que la société a développés. "Nous sommes le seul fabricant d'additifs pour composites avec un matériau PEEK renforcé", affirme Kaplan, notant que les matériaux résistant aux hautes températures sont de plus en plus demandés pour les pièces et les moules.

Le fournisseur d'imprimantes Stratasys Inc. (Eden Prairie, MN, États-Unis) s'associe à des fournisseurs de matériaux et à des fabricants d'aérospatiale/de drones pour le développement et la commercialisation en cours de ses technologies d'outillage imprimées en 3D pour le moulage de pièces composites. Timothy Schniepp, directeur principal des solutions composites chez Stratasys, explique que les machines de modélisation par dépôt par fusion (FDM) de l'entreprise peuvent produire la plupart des outils en deux à trois jours ou moins, ce qui signifie qu'un client peut mouler des pièces en moins d'une semaine. Le matériau haute température de la société, l'Ultem 1010, un polyétherimide (PEI) fabriqué par SABIC (Pittsfield, MA, États-Unis), est un matériau non chargé à usage général adapté à la fabrication de tous les outils de superposition, y compris les outils autoclavés à des températures allant jusqu'à à 300°F.

Swift Engineering Inc. (San Clemente, Californie, États-Unis) a utilisé FDM et Ultem 1010 pour fabriquer des moitiés assorties d'un moule de compression pour les pales d'hélice en époxy renforcées de fibres de carbone d'un drone. Les outils de 356 x 102 x 51 mm ont pris 30 heures de temps de construction et ont été manuellement abrasés et scellés avec un époxy en deux parties, donnant une finition de surface Ra (rugosité moyenne) d'environ 0,4 µm.

Rock West Composites (West Jordan, UT, US) collabore avec Stratasys pour valider certaines des conceptions d'outils en moulant des pièces de test. Adrian Corbett, directeur du développement commercial de l'entreprise, note que l'industrie des drones intègre davantage de pièces imprimées en 3D dans ses produits, et les outils imprimés en 3D offrent un net avantage par rapport aux outils d'usinage à partir d'époxy ou d'autres matériaux d'outillage. « Cela vous permet de fabriquer une pièce aussi rapidement que vous pouvez imprimer l'outil », dit-il.

Bref, une nouvelle ère de drones prolifiques a émergé et est là. Heureusement, pour beaucoup dans l'industrie des composites, le changement, dans ce cas, est bon.


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