Les drones composites révolutionnent la technologie des UAV

Changement, mieux : changement rapide. Cela caractérise le mieux l'état actuel de la conception et fabrication de véhicules aériens sans pilote (UAV). Un grand changement est la terminologie. Les UAV sont maintenant des drones, et la technologie drone, autrefois presque exclusivement confinée aux missions militaires, défie les définitions limitatives et trouve usage dans une multitude d'applications industrielles, commerciales et de consommation de pointe. Non plus limités au contrôle par des humains au sol, les drones façonnent aussi le destin de la technologie autonome — ce qu'elle sera et comment elle peut être utilisée.

Sur le radar : drones pour communication, automatisation

Une des grandes promesses de l'usage des composites dans les drones est comme levier pour systèmes persistants, longue durée, offrant un accès Internet WiFi à large zone. Idéalement, de tels drones seraient solaires et capables de servir des zones terrestres de nombreux miles carrés avec un accès Internet ininterrompu pendant des semaines. Au moins deux programmes poursuivent cette technologie, et les résultats sont prometteurs, bien que mitigés.

L'un est le travail du géant des réseaux sociaux Facebook (Menlo Park, CA, USA), l'autre, un produit du Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, MA, USA). Chacun a construit et fait voler des prototypes et vise à atteindre des durées de vol UAV sans précédent avec des designs radicalement nouveaux, qui, par nécessité, espèrent maximiser les avantages des composites avancés.

En développement depuis 2014, l'Aquila de Facebook (Fig. 1), un drone quadri‑propulseur tout composite carbone, solaire, a été testé en vol deux fois. En 2016, il est resté en vol 96 minutes sous 305 m, et l'an dernier, il a volé environ 106 minutes, atteignant 914,4 m d'altitude. L'Aquila vise grand : sa clientèle cible déclarée est les plusieurs milliards de personnes dans le monde sans accès en ligne fiable. Donnée l'échelle géographique énorme, le drone doit être capable de vol très long, ininterrompu, et cela a des conséquences profondes sur les paramètres de performance et de conception de l'Aquila. Facebook doit construire et lancer des aéronefs sans pilote capables de vol continu pendant des mois et à très hautes altitudes — 60 000‑90 000 ft (18 290‑27 430 m). À cette hauteur, le drone peut fournir une couverture WiFi sur environ 60 miles carrés. Quand la technologie sera au point, le CEO de Facebook Mark Zuckerberg a déclaré qu'il a l'intention de construire une flotte de ces drones.

Bien que ce soit potentiellement une bonne nouvelle pour l'industrie des composites, Facebook a publié peu de détails d'ingénierie spécifiques sur l'Aquila ou les matériaux carbone et stratifié utilisés pour le construire. CW a appris que la version testée en vol a une « envergure plus large qu'un Boeing 737 », la plaçant autour de 110 ft (±34 m). Renonçant au poids et traînée supplémentaires d'un train d'atterrissage conventionnel, l'Aquila est aussi équipé d'un « patin d'atterrissage » Kevlar collé sous les nacelles moteurs, une raison pour laquelle il ne pèse qu'environ 1 000 lb (454 kg), dont environ la moitié en batteries. Zuckerberg a cependant clarifié que le drone doit être encore plus léger.

En remontant le vent, le vole, par conception, à une vitesse au sol de seulement 10‑15 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, environ 10 fois plus vite que la fibre optique terrestre. Sur la deuxième version, la plus récemment volée, un matériau de revêtement non spécifié appliqué sur les ailes a créé une « finition plus lisse » et est crédité pour avoir doublé son taux de montée à 54,9 m/min, comparé au taux de montée du premier drone. Cela dit, reste à voir si les objectifs ambitieux de durée de vol de l'Aquila peuvent être tenus en utilisant seulement l'énergie solaire. Les principaux défis du projet pour la prochaine phase, selon les posts sur le site Facebook Aquila, sont l'efficacité des panneaux solaires, le stockage batterie et l'atteinte de paradigmes de coûts acceptables pour l'exploitation. Facebook dit avoir 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 hautes au prochain tour de vols d'essai.

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

Le design du drone était modélisé sur un planeur, avec un profil aérodynamique typiquement fin. La première version à échelle réelle, testée en vol l'an dernier à une altitude max de 122 m, a une épaisseur d'aile de 42,4 mm s'effilant à 20,8 mm, et un poids à vide total de seulement 12,7 kg. Après ajustements mineurs de l'aéronef et de son système de lancement sur toit automobile, des vols d'essai en haute altitude sont prévus pour cet été, avec le drone transportant une charge utile complète d'équipements de communication et carburant, pesant jusqu'à 45,4 kg.

John Hansman, professeur d'aéronautique et d'astronautique au MIT et l'un des encadrants de la recherche étudiante, collaboration entre MIT et MIT Lincoln Laboratory (Lexington, MA, USA), rapporte que les ailes comprennent un cœur sandwich moulé en deux étapes. Pour atteindre la précision aérodynamique nécessaire, la peau supérieure de l'aile a été moulée séparément, par infusion sous vide, à partir d'un pli de tissu carbone unidirectionnel orienté à 90° par rapport à la longueur de l'envergure. Pour faire la peau inférieure, des caps de longeron d'épaisseur variable ont été moulés en tissu unidirectionnel et placés dans le moule. Du Styrofoam a été placé autour et entre les caps de longeron, et la peau inférieure a été mise sous vide contre la construction. La peau supérieure a ensuite été ajustée à l'inférieure et enveloppée en fil 12K. Tous les tissus ont été infusés avec West Systems 105, époxy faible viscosité fourni par Gougeon Bros. Inc. (Bay City, MI, USA). Tous les moules étaient usinés CNC en mousse polyuréthane RenShape 440, fournie par Freeman Manufacturing & Supply Co. (Avon, OH, USA).

Pour faire le fuselage, qui abrite son moteur essence (voir l'encadré « Drones : le logiciel MIT jette le doute sur les UAV solaires ») et réservoir carburant, l'équipe a utilisé un simple moule cylindrique en béton, a appliqué deux plis de tissu unidirectionnel, un à 90° et un à 45°, sur le diamètre interne du tube, puis a utilisé un sac sous vide toroïdal positionné à travers et autour du tube, pour infuser sous vide le tissu, avec la couche externe du stratifié positionnée contre la paroi interne du tube. Pour fabriquer le cône avant, contenant l'électronique de communication, un moule conique externe a été usiné en deux moitiés en mousse. Un seul pli de tissu Kevlar 0° a été drapé sur les moitiés de moule (qui avaient été collées) et infusé sous vide.

Drones — nouveaux acteurs dans l'industrie

Les drones ont un impact dans le domaine industriel, allant aériennement là où il est plus difficile et cher pour les travailleurs et machines conventionnelles, y compris robots, d'aller.

Une application au futur potentiellement énorme est l'inspection de sécurité de pales d'éoliennes vieillissantes. Les UAV équipés de caméras pour surveillance militaire étaient l'une des premières utilisations de la technologie. Aujourd'hui, des drones équipés de caméras spéciales, opérés autonomement par des logiciels extrêmement sophistiqués, peuvent inspecter les pales de rotor d'une 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 vers un portail Web pour visualisation à l'écran par des inspecteurs dans des environnements plus confortables. CW a couvert ce phénomène d'affaires croissant basé sur les drones dans son numéro de mai (voir « Service & réparation : Optimiser l'impact réseau de l'éolien »).

Un groupe de chercheurs de l'Université de Stuttgart (Stuttgart, Allemagne), Institut pour les structures du bâtiment et la conception structurelle et Institut pour la conception computationnelle, a démontré une méthode nouvelle et astucieuse d'utilisation de drones en combinaison avec des robots industriels pour fabriquer une structure composite à grand portée via un processus de bobinage de fibres. Le bobinage collaboratif, comme on l'appelle, implique l'utilisation de deux robots industriels stationnaires et un drone/UAV « intermédiaire » léger, construit sur mesure, pour fabriquer des structures à grand portée dans l'espace interstitiel entre les robots (Fig. 3). En termes simples, la disposition de fabrication établit une division du travail favorable qui capitalise sur les forces des deux machines — les robots sont utilisés pour placer précisément le roving imprégné de résine sur le cadre de bobinage, tandis que le drone navette la fibre des bobines vers chacun des bras robotiques, contournant ainsi la limitation imposée sur la taille de la pièce par l'enveloppe de portée de l'effecteur final du robot. Jusqu'à présent, l'alternative principale pour fabriquer de grandes pièces dépassant la portée du robot était de construire la pièce par modularisation, processus moins qu'idéal, surtout si la structure fabriquée est portante.

Le projet était l'œuvre de huit chercheurs de l'Université et est résumé dans l'article « Multi‑Machine Fabrication », publié dans l'édition de novembre 2017 d'Acadia, journal d'architecture d'intérieur et design spatial. La cellule de travail comprenait deux robots KUKA (Augsbourg, Allemagne) KR 210 R3100 Ultra 6 axes, équipés d'extensions acier, pince hydraulique pour saisir l'effecteur de bobinage depuis l'UAV, et caméra infrarouge pour synchroniser les positions du robot avec l'UAV. Un mécanisme de tension personnalisé, basé sur dispositifs de tension utilisés en extrusion et applications de laminage, assure le contrôle de la tension de la fibre quand elle passe de la source fibre à l'UAV ou au robot.

James Solly, un des chercheurs du projet, dit que le design final du drone construit sur mesure a été dérivé de quatre prototypes antérieurs, dans un processus de conception qui a permis à l'équipe d'optimiser le poids du drone et stabiliser son comportement de vol. Les pièces du corps du drone étaient usinées en plaque carbone standard, tandis que les bras de l'appareil étaient fabriqués en tubes carbone 20 mm. Autres pièces plus petites, comme connecteurs et entretoises, étaient imprimées 3D en acide polylactique (PLA). Dimensions du drone : environ 92 × 92 × 31 cm et le véhicule peut transporter une charge utile d'environ 2 kg.

Pour bobiner un point d'ancrage unique, le bras robot parcourt le cadre de bobinage avec la fibre imprégnée élevée au‑dessus du stratifié. En atteignant le point d'ancrage, le robot enroule la fibre autour, puis retourne l'effecteur de bobinage à la plateforme d'atterrissage où l'UAV attend. Après confirmation de l'échange, le mécanisme de tension passe en basse tension, et le drone transporte la fibre qui se déroule vers la prochaine plateforme robotique. Les chercheurs ont utilisé la cellule robot‑drone pour fabriquer un porte‑à‑faux démonstrateur de 12 m comme exemple de forme et taille de pièces qui n'auraient pas pu être produites par une configuration de bobinage de fibres automatisée traditionnelle (Fig. 4). La pièce comprenait du roving verre continu single‑end, SE1500‑2400tex donné par Lange+Ritter GmbH (Gerlingen, Allemagne) et fil carbone continu SIGRAFIL, CT50‑4.0/240‑E100, donné par SGL Technologies GmbH (Wiesbaden, Allemagne). Les fibres étaient préimprégnées avec résine époxy EPIKOTE MGS LR 135 formulée avec agent de durcissement EPIKURE MGS LH 138, fourni par Hexion (Columbus, OH, USA). La pièce a été fabriquée en utilisant des fibres préimprégnées et des fibres sèches imprégnées dans un bain résine fibre‑dip. Solly rapporte que le processus démontré par le projet est le mieux adapté pour produire des structures horizontales avec de grandes portées entre supports verticaux, comme toits de salles de bal ou ponts piétons où la réduction du poids propre peut donner des réductions significatives de matériaux utilisés et de coûts. Il rapporte que lui et ses collègues élaboreront sur le processus et ses applications avec un article présenté à la prochaine conférence International Association for Shell and Spatial Structures (IASS 2018), 16‑20 juillet, Boston, MA, USA.

Dans un autre projet industriel, une équipe de recherche du MIT Media Lab étudie l'utilisation de drones pour localiser et identifier l'inventaire d'entrepôt via étiquettes radio‑fréquence (RFID). Un besoin d'amélioration des pratiques de comptabilité d'inventaire, provoqué par l'augmentation de l'échelle des opérations d'entrepôt et d'expédition modernes, est reconnu depuis un temps. Le scan manuel est laborieux, coûteux et sujet à erreur. Walmart, par exemple, a rapporté en 2013 perdre plus de 3 milliards $ de revenus dus à des discordances entre ses registres d'inventaire et son stock réel.

L'équipe du MIT a développé avec succès un prototype permettant à de petits drones légers avec rotors en plastique flexible — le seul type approuvé pour usage près des humains — de lire des étiquettes RFID à des dizaines de mètres tout en identifiant leurs emplacements avec une erreur moyenne d'environ 19 cm.

Les drones Bebop‑2 utilisés pour l'étude sont fabriqués par Parrot Corp. (Paris, France). Conçus spécifiquement pour exhiber de faibles vibrations pour applications comme la photographie, le drone a un fuselage en nylon Grilamid TR chargé verre, fourni par EMS‑CHEMIE AG (Domat/Ems, Suisse). Chaque drone pèse environ 500 g et peut voler autonomement environ 25 minutes. Bien qu'approuvés pour usage près des gens, les drones sont trop petits pour porter un lecteur RFID avec 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. Quand le signal atteint l'étiquette, elle encode son identifiant sur le signal avant de le renvoyer au drone. Le drone renvoie le signal au lecteur, qui décode l'identifiant, et ainsi l'article et sa localisation. L'équipe travaille actuellement à améliorer la précision du mécanisme de localisation sur de plus longues distances, ainsi que des façons d'améliorer la vitesse et l'évolutivité du processus.

Innovation stimulant de nouvelles applications drones

Fournisseurs de matériaux, fabricants sous‑traitants impression 3D et fournisseurs d'équipements d'impression rapportent une activité croissante venant de fabricants de drones, et développent de nouveaux produits et capacités pour servir ce marché.

Clearwater Composites LLC (Duluth, MN, USA) produit une gamme de tubes et plaques en fibre de carbone qu'elle fournit à des fabricants d'équipements industriels, robotique, aérospatial, articles de sport et UAV. Les tubes, en variété de formes, sont principalement faits par enroulement de préimprégné époxy fibre de carbone unidirectionnelle sur mandrin, avec polymérisation à 250 °C. Les tubes sont faits en grades standard, haut et ultra‑haut module, ce dernier en fibres de pitch. L'entreprise fabrique des plaques en gamme d'épaisseurs, en feuilles jusqu'à 1,2 × 2,4 m, avec matériaux similaires par moulage par compression ou infusion sous vide. Le président Jeff Engbrecht dit que ses clients UAV sont typiquement des entreprises nord‑américaines conçant et construisant des UAV pour applications industrielles et aérospatiales haut de gamme.

Clearwater, rapporte‑t‑il, fournit l'un de ses clients, un concepteur/fabricant UAV/drone, avec un tube mince paroi (0,03 pouce / 0,76 mm) à conicité personnalisée, fait en fibre de carbone haut module M46J de Toray Industries (Tokyo, Japon). Le tube, pour une application nouvelle non spécifiée, est rond à une extrémité, puis s'effile en forme ovale à l'autre.

Stratus Aeronautics (Burnaby, BC, Canada) fabrique des drones principalement utilisés pour levés magnétiques et aériens en recherche scientifique, minière, militaire et autres applications. Conçus et construits en configurations aile fixe et multi‑rotor, ces drones de levé offrent des avantages de coût significatifs vs aéronefs pilotés.

Le Venturer UAV à aile fixe de l'entreprise (Fig. 5) est un petit aéronef léger, propulsé par un moteur essence 100 cc deux temps et capable de missions longue durée (>10 h) — pas possible avec un aéronef piloté. L'appareil a une cellule moulée en préimprégné carbone, ailes semi‑monocoque avec cœurs mousse, et fuselage monocoque sans cœurs.

Curtis Mullen, directeur technique de l'entreprise, dit que la conception et les tests sont presque terminés pour un nouveau UAV multi‑rotor électrique. À 3 m de long et pesant environ 15 kg, il est, sauf l'électronique, construit entièrement en composites carbone. « Le châssis est une structure monocoque auto‑alignante en plaque carbone usinée CNC », rapporte Mullen. Tubulaires carbone d'orientation et modules de fibre variables, selon charges locales, composent le reste de la structure. À l'heure de presse de CW juillet, l'entreprise prévoyait de terminer construction et essais vol en juin/juillet et d'introduire le Venturer sur le marché fin 2018.

Drones et impression 3D : convergence

Donné le développement rapide de la technologie drone, il n'est pas surprenant que les constructeurs de drones aient fourni l'impulsion pour la fabrication additive de composites. Les concepteurs de drones n'utilisent pas seulement des imprimantes 3D grand format pour le prototypage rapide pour lequel les procédés furent conçus, mais aussi, à mesure que ces procédés évoluent, pour fournir outillages et pièces finies, pour répondre aux délais rapides requis par les OEM drones.

Impossible Objects (Northbrook, IL), pour un, a récemment partenarié avec Aurora Flight Sciences (Manassas, VA) pour imprimer en 3D un support de stabilisateur arrière 76×38 mm en polyéthylène haute densité (PEHD) renforcé fibres carbone hachées 25,4 mm, utilisant sa technologie Composite‑Based Additive Manufacturing (CBAM). La pièce a été installée sur un nouvel aéronef en développement, remplaçant une pièce en nylon non renforcé qui cassait. Bien que la fabrication additive ait souvent été utilisée pour faire des pièces prototypes ou test, le CEO d'Impossible Objects Larry Kaplan dit que l'entreprise travaille actuellement à sécuriser plusieurs applications commerciales, volumes plus élevés, pour pièces dans les drones. Détails des applications ne peuvent pas encore être détaillés, mais Kaplan rapporte qu'elles impliqueront de nouveaux matériaux carbone/nylon et carbone/PEEK haute température que l'entreprise a développés. « Nous sommes le seul fabricant additif composites avec un matériau PEEK renforcé », revendique Kaplan, notant que les matériaux haute température sont de plus en plus demandés pour pièces et moules.

Le fournisseur d'imprimantes Stratasys Inc. (Eden Prairie, MN, USA) partenarie avec fournisseurs matériaux et fabricants aérospatiaux/drones dans le développement et la commercialisation continus de ses technologies d'outillage imprimé 3D pour le moulage de pièces composites. Timothy Schniepp, directeur senior solutions composites chez Stratasys, dit que les machines à dépôt de fil fondu (FDM) de l'entreprise peuvent produire la plupart des outillages en deux à trois jours ou moins, signifiant qu'un client peut mouler des pièces en moins d'une semaine. Le matériau haute température de l'entreprise, Ultem 1010, un polyetherimide (PEI) fabriqué par SABIC (Pittsfield, MA, USA), est un matériau polyvalent, non chargé, adapté pour la fabrication de tout outillage de drapage, y compris outillages autoclavés jusqu'à 300 °F.

Swift Engineering Inc. (San Clemente, CA, USA) a utilisé FDM et Ultem 1010 pour fabriquer les deux moitiés d'un moule de compression pour pales d'hélice en époxy renforcé fibre de carbone d'un UAV. Les outillages 356×102×51 mm ont pris 30 heures de construction et ont été manuellement abrasés et scellés avec époxy deux composants, donnant une finition de surface Ra (rugosité moyenne) d'environ 0,4 µm.

Rock West Composites (West Jordan, UT, USA) collabore avec Stratasys pour valider certains designs d'outillages en moulant des pièces test. Adrian Corbett, directeur développement commercial de l'entreprise, note que l'industrie du drone intègre de plus en plus de pièces imprimées 3D dans ses produits, et les outillages imprimés 3D offrent un avantage clair vs usinage d'outillages en époxy ou autres matériaux d'outillage. « Cela vous permet de faire une pièce aussi vite que vous pouvez imprimer l'outillage », dit‑il.

En bref, une nouvelle ère prolifique de drones a émergé et est là. Heureusement, pour beaucoup dans l'industrie des composites, le changement, en l'occurrence, est bon.