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连续碳纤维增强塑料制成的多旋翼无人机

来源:荣格-《国际复材技术商情》 发布时间:2021-09-06 827
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 技术前沿应用及案例
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三家日本公司——长野县综合工业技术中心、Quest Corporation 和 Hanyuda Iron Works——使用定制纤维铺放 (TFP) 方法和拓扑优化分析制造了连续碳纤维增强塑料 (CFRP) 多旋翼无人机。

近年来,无人驾驶飞行器(无人机)已广泛应用于工业领域,如农业、基础设施检查和灾害调查,以及休闲领域。无人机有各种类型,但主流是带有四个或更多旋翼来控制运动和高度的多旋翼飞行器。多旋翼机身既要轻以增加有效载荷,又要具有高刚度以支持推力。


尽管该结构易于制造,但必须考虑某些问题,例如由于多个零件的连接而增加的重量以及由于材料形状而对机身结构造成的限制。


QQ截图20210906172654.jpg


为了同时实现轻便和功能性,使用三维 CFRP 成型制造机身是理想的选择。通过优化材料布置,可以消除一定数量的不必要材料,并且纤维可以定向以利用相对于负载的各向异性。

通过优化拓扑优化机身结构

协作小组利用现有机身作为基础,设计了要分析的上半部分的初始形状。虽然现有的机身设计有边缘,但他们重新设计了光滑、连续的曲面和足够的牵伸角度,同时考虑了模具的可加工性。中心是平坦的,可以容纳GPS接收器天线。


用于分析的初始形状模型。中心是平坦的,以容纳GPS接收器天线。
现有的机身由大约1.5毫米厚的ABS树脂制成,并具有全封闭的袋状硬壳结构。为此,采用壳体作为解析模型进行设计范围计算,厚度为2mm。由于GPS天线周围的平坦区域将放置碳纤维,所以这一区域不在设计范围之内。机体由上下两半组成,上下两半由多个接头和螺丝连接。通过链接螺钉位置元素来模拟紧固状态。

边界条件和拓扑优化结果

在飞行过程中,机体在半空中悬停时,会受到各种难以测量和估计的力的作用。在这个项目中,作为一个不使用实际条件的模型案例,该团队将底座固定在一个负载上,并为四个角(转子所在的位置)的臂尖创建六种不同负载/扭矩变化的条件。然后,确定了六种不同荷载情况下产生最高刚度的形状。这里的分析结果是优化结果,严格地针对特定的模型情况,不能普遍地应用于实际机器。


根据优化结果重新设计形状

将所有六种负载情况考虑在内的优化结果,形成了一个完全被一个相对均匀的网格模式覆盖的形状。设置多个边界条件可能会令结果具有潜在的高通用性。此分析的结果是有限元网格数据,不能用作 CAD 数据。因此,根据结果重建了改进的机身形状。


QQ截图20210906172706.jpg


制作方法:定制纤维放置(TFP)方法
定制纤维放置是用于制作预制件的方法之一,在预制件中,一束连续的长碳纤维被缝在基布上。

由RAMPF复合材料解决方案解释的定制纤维放置

虽然这种方法已经在飞机零部件等应用中得到了实际应用,但在日本很少有案例被商业化,因此,通过尽早建立该技术,可以预期未来的业务发展。在本研究中,在不丢失各向异性特征的情况下,根据优化结果排列CF对飞机进行强化。


因为预制件是以平面形式制造的,所以它们必须设计成这样一种方式,即它们在成型后的形状是平面的和展开的,这样它们就可以在成型过程中在模具内重新创建一个3D形状。


定制纤维放置是用来制作预制件的方法之一,在预制件中,一束连续的长碳纤维被缝在基布上。
为了生产TFP预制件,需要为绣花机创建数据,确定放置碳纤维束的路径。


为了连续供应和固定碳纤维,必须在一次行程中追踪所有路径。由于TFP需要一台特殊的刺绣机来供应碳纤维,因此生产被外包给了两家拥有合适设备的公司:Tajima Industries和Kajirene。玻璃纤维布用于底座,沿TFP路径缝合3mm宽的碳纤维。碳纤维带由白色刺绣线固定。

VaRTM碳纤维增强塑料成型

VaRTM是一种树脂转移模塑(RTM)技术,在该技术中,模具用于成型,并在液体树脂浸渍期间进行真空压力抽吸。将预制件安装在单面铝模(机身外表面的凹模)中,并用套袋材料密封。真空吸力辅助热固性树脂的浸渍,然后在高压釜中固化。由于预制件尺寸略大,第一个原型有锯齿状的纤维。为了纠正这一点,在第二个原型的设计阶段,通过改变预成型中心平面从机身表面偏移的值来调整尺寸。


第一个原型存在质量问题,包括碳纤维中树脂浸渍不足以及CF束中残留的空气空间和空隙。采用真空袋法、浸渍法和高压釜法等工艺解决了上述问题:改变玻璃布切割工艺;降低树脂粘度;将预制件所在的模具侧换向;改变浸渍工艺。


结果表明,玻璃布的浸渍效果较好,但碳纤维束表面和内部的空隙较多。

飞行演示中的实验飞机

为了提高成型零件的质量,还需要进一步的研究。对该飞行器进行了飞行试验,并对其实用性进行了评估。飞行员测试了机动性。结果是令人满意的,因为在转向过程中的响应性比ABS树脂飞机更好。


结合拓扑优化和CFRP材料有望提供高性能的结构部件,实现轻量化和高刚性。研究结果表明,优化后的结构可以在多翼机上采用TFP预制件形成三维碳纤维复合材料。在未来,可以通过积累预制件设计和CFRP成型方法的知识,广泛应用于各种产品,从航空航天部门开始。


来源:荣格-《国际复材技术商情》


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