3D печать и БПЛА (дроны): преимущества и сферы применения

Всем привет. С вами компания 3Dtool!

Упоминания про растущую роль аддитивных технологий в разных отраслях уже звучат банально, но все же одно направление стоит рассмотреть подробнее — производство, ремонт и кастомизацию летающих дронов. Делимся примерами и рассказываем о преимуществах изготовления компонентов БПЛА с помощью 3D-принтеров.

Когда дело доходит до 3D-печати полимерных и композитных деталей беспилотных летательных аппаратов, выбор сводится к двум технологиям — селективному лазерному спеканию порошков (SLS) и экструзионной 3D-печати филаментами (FDM). Первый обеспечивает значительно более высокое качество поверхностей без постобработки, однако выбор материалов довольно ограничен: в основном используются полиамиды (нейлоны) и термопластичные полиуретаны с возможностью добавления армирующих волоконных добавок. Помимо этого оборудование для селективного лазерного спекания требует более высоких финансовых затрат как на приобретение, так и обслуживание. FDM 3D-печать, с другой стороны, не может похвастаться столь высоким разрешением, зато предлагает широчайший выбор не только полимерных, но и композиционных материалов, а экструзионные 3D-принтеры и расходные материалы в виде филаментов намного более доступны в ценовом плане.

Применимо к дроностроению 3D-печать в основном используется в быстром прототипировании и производстве кастомной оснастки, например креплений для навесного оборудования. С другой стороны, аддитивные технологии нередко применяются и в производстве запасных частей, а в некоторых случаях 3D-печать даже становится основным производственным методом. Как правило, последний вариант касается производства узкоспециализированных летательных аппаратов, как мы покажем в примерах ниже.

Сферы гражданского применения БПЛА уже довольно широки, причем расширение тесно связано с растущими возможностями по кастомизации: многие коммерческие дроны можно использовать в качестве готовых платформ для транспортировки различного оборудования и грузов, необходима лишь оснастка для установки полезной нагрузки на борт. Наиболее часто полезной нагрузкой служат различные камеры и датчики, используемые для визуального наблюдения и замеров, хотя это не единственный вариант. 

Например, «летающие глаза» могут применяться в сельском хозяйстве для наблюдения за состоянием посевных и пасущегося скота, отслеживания вредителей, замеров температуры, влажности и других параметров среды. Крупные беспилотники нередко даже используются для доставки пестицидов и гербицидов вместо пилотируемой малой авиации, так как это дешевле и безопаснее.

В строительной отрасли квадрокоптеры помогают с картографией и топографической разведкой, инспектированием строящихся и ремонтируемых конструкций, особенно с труднодоступными высотными элементами. При оснащении дронов фотограмметрических оборудованием можно даже получать полноценные 3D-сканы конструкций.

В топливной и энергетической отраслях летающие беспилотники опять-таки используются для отслеживания состояния газо- и нефтепроводов, линий электропередач, ветрогенераторов и другой инфраструктуры. Быстрые дроны, не требующие дорог, нередко экономят время при поиске проблемных участков, а в случаях серьезных, опасных происшествий позволяют проводить разведку и планировать работы по ликвидации аварий без лишнего риска для сотрудников. 

Наконец, быстрый рост показывает транспортное направление, хотя оно и сопряжено с определенными трудностями, в основном регуляторного характера. Использование БПЛА в качестве курьеров рассматривается уже давно и даже практикуется во многих странах, однако применение дронов-почтальонов в пределах городской застройки обычно жестко регулируется, либо даже запрещается из соображений безопасности. Тем не менее, кое-где летающие беспилотники уже развозят посылки и могут быть особенно полезны при доставке грузов в труднодоступные районы, например медикаментов для людей в зонах стихийных бедствий и техногенный аварий, куда по тем или иным причинам не могут добраться спасатели. Разрабатываются даже дроны для перевозки пассажиров, хотя пока что такие проекты обычно предусматривают наличие пилота хотя бы в дублирующей роли, опять-таки из соображений безопасности.

Для наглядности приведем несколько примеров.

БПЛА против жуков

Специально оборудованные БПЛА разбрасывают по полям яйца полезных энтомофагов, например трихограмм, габробраконов и златоглазок. Это паразитирующие насекомые, питающиеся яйцами и личинками других насекомых или даже взрослыми вредителями, включая зерновую моль, кукурузных мотыльков, яблонных плодожорок, капустных белянок, тлей, колорадских жуков, и других.

С распространением биологического оружия (в хорошем смысле) помогают специально оборудованные коптеры, оснащенные дозаторами собственной конструкции. Десантирование энтомофагов осуществляется по команде полетного или маршрутного контроллера, с пульта оператора или по сигналам встроенной системы спутниковой навигации.

Крепления и сами дозаторы изготавливаются с помощью лазерных резаков и FDM 3D-принтеров. Локализованное, адаптируемое производство позволяет подгонять устройства под разные модели беспилотных аппаратов, а заодно экономит немало времени в периоды опытно-конструкторских работ, сокращая сроки с нескольких месяцев до нескольких дней.

3D-печатные хищники

Нидерландская компания Drone Bird нашла несколько более необычное применение летающим дронам — отпугивание других птиц. Предприятие использует аддитивные технологии в производстве БПЛА, максимально схожих с настоящими птицами, причем не только визуально: некоторые из предлагаемых моделей полагаются на жесткие планеры с традиционными электромоторами и пропеллерами, а некоторые машут крыльями, как настоящие птицы. В зависимости от оснащения дроны могут проводить в воздухе от двадцати минут до полутора часов.

Такие дроны можно использовать для наблюдения, но главной нишей стало отпугивание других пернатых с сельскохозяйственных угодий и аэродромов: появление БПЛА, подозрительно похожих на орлов или соколов, быстро заставляет летающих вредителей искать альтернативные места обитания. Обеспечение авиационной безопасности особенно актуально, так как каждый год происходят около пятнадцати тысяч столкновений птиц с самолетами, иногда с очень серьезными последствиями, а экономический урон от таких инцидентов достигает полумиллиарда долларов, и это без учета рисков для пассажиров и экипажей. К пиротехническим и сигнальным средствам птицы довольно быстро привыкают, а вот страх к летающим хищникам непреодолим, что и обуславливает эффективность этого способа.

Дроны в форме чаек, с другой стороны, используются уже для скрытного наблюдения, например сотрудниками правоохранительных органов. Чайки часто встречаются далеко от воды и в пределах населенных пунктов, так как их привлекает мусор с пищевыми отходами, поэтому парящие дроны в форме чаек ни у кого не вызывают подозрений.

На 3D-печать компания перешла из-за трудоемкости ручного производства планеров из стеклопластика. Теперь предприятие полагается на технологию селективного лазерного спекания на аутсорсе, пользуясь услугами двух промышленных партнеров — нидерландского бюро 3D-печати Parts on Demand и немецкой компании Advanced Laser Materials. Основными материалами служат композиты — стеклонаполненный нейлон-12 и угленаполненный термопластичный полиуретан.

Летающий горняк

Пару лет тому назад компания «Норильский никель» привлекла БПЛА к маркшейдированию — геодезическим измерениям и разведке месторождений полезных ископаемых. Летающий горняк — кастомизированный коптер, оборудованный 3D-сканером для оцифровки окружающей горной выработки.

Аппарат передвигается по заданному маршруту, облетая препятствия с помощью встроенного лидара. Длительность полета варьируется от тридцати минут до одного часа, в зависимости от массы полезной нагрузки. Вместе с установленным 3D-сканером массой 1,8 кг дрон весит около шести килограмм. Главное преимущество такого метода — безопасность персонала.

«Промышленная безопасность — главное для «Норникеля». Мы не хотим рисковать здоровьем работников, поэтому в тех местах, где опасно находиться людям, нужно использовать технику. Дрону стоит только подлететь, чтобы выполнить большой объем работы. Например, для того чтобы очистное пространство снять другими сканирующими системами, нам часто нужно подойти с двух сторон. Торец камеры мы не можем посмотреть, потому что это небезопасно, а дрон может подлететь и сделать это. Кроме того, увеличивается детализация и точность», — рассказал главный маркшейдер рудника «Комсомольский» Владимир Орлов.

Дрон-светофор

Этот забавный, но вполне перспективный пример родом из Объединенных Арабских Эмиратов. Весной этого года на Всемирном полицейском саммита в Дубае демонстрировался летающий светофор, разработанный по заказу местного министерства внутренних дел.

Пока что это только прототип с 3D-печатной конструкцией светотехнического устройства, но в теории такие аппараты могут найти применение при дорожно-транспортных происшествиях или в случаях поломок стационарного регулировочного оборудования.

Зарядки аккумуляторов хватает примерно на двадцать пять минут беспрерывного полета. В городских условиях этого должны быть достаточно для регулировки движения до приезда экстренных или ремонтных служб.

Электролет с 780 3D-печатными деталями

Канадская компания Horizon Aircraft разрабатывает летательные аппараты с вертикальным взлетом и посадкой по смешанной схеме — с отдельными подъемными и маршевыми двигателями. Аппарат на иллюстрациях ниже — летающий прототип беспилотного электролета Cavorite X5, использующий ни много ни мало семьсот восемьдесят 3D-печатных деталей. 

На самом деле их намного больше, так как конструкция многих компонентов неоднократно менялась. Например, дизайн импеллеров неоднократно дорабатывали в сторону повышения тяги и снижения шумности. Здесь наглядно продемонстрировано одно из главных преимуществ аддитивных технологий — возможность быстрого итеративного прототипирования с минимальными финансовыми и временными издержками, ведь композитные детали можно получать без длительного и дорогостоящего изготовления формовочной оснастки.

Впрочем, в производстве формовочной оснастки 3D-печать тоже весьма эффективна — как в изготовлении самих форм, так и мастер-моделей, а затем традиционного производства стекло- и углепластиковых деталей БПЛА. Это особенно полезно при производстве нагруженных компонентов и запасных частей, например балок и несущих винтов. В этом случае разработчики решили полагаться на прямое аддитивное производство функциональных компонентов с использованием высокотемпературного FDM 3D-принтера Instamsys Funmat Pro 410 и угленаполненного полиамида.

Машина с размахом крыльев в шесть с половиной метров выполнена в половинном масштабе, поднимает до 45 кг полезной нагрузки и развивает скорости свыше 280 км/ч. Полноразмерный аппарат сможет разгоняться уже до 450 км/ч и перевозить до 365 кг с вертикальным взлетом или до 645 кг с разбегом на расстояния до одной тысячи километров. В основном рассматривается возможность использования в поисково-спасательных операциях и перевозке грузов. Конструкторы также планируют вариант в исполнении скорой медицинской помощи для быстрой доставки медикаментов и органов для трансплантации, плюс эвакуации пациентов из труднодоступных мест.

Преимущества 3D-печати

Главный плюс аддитивных технологий — возможность локализации производства без избыточных финансовых затрат. Технологии 3D-печати незаменимы при быстром функциональном прототипировании, особенно итеративном, а также служат отличным средством кастомизации и производства запасных частей. Последний момент все более актуален с учетом роста санкционных ограничений.

Широкий выбор расходных материалов, особенно при работе с экструзионными (FDM) 3D-принтерами, способствует свободному полету конструкторской мысли. Даже если прочности 3D-печатных компонентов будет недостаточно, 3D-принтеры можно использовать в оперативном и недорогом производстве формовочной оснастки для последующей выкладки стекло- или углепластиковых композитов.

В некоторых случаях 3D-печать даже предпочтительна, например для снижения массы комплектующих. Современные материалы для 3D-печати вроде вспенивающихся угленаполненных композиционных филаментов позволяют получать легкие, но прочные детали — идеальная комбинация для летательных аппаратов. Более того, аддитивные технологии прекрасно сочетаются с генеративным дизайном и топологической оптимизацией, позволяя создавать облегченные детали сложных форм, зачастую непосильных традиционным производственным методам, подразумевающим механическую обработку.

Если вас интересует возможность аддитивного производства компонентов или запасных частей для БПЛА, обратитесь к нам, и специалисты 3Dtool будут рады предоставить подробную консультацию по выбору оборудования и расходных материалов. 

Приобрести 3D-принтеры, задать свой вопрос, или сделать предложение, вы можете, связавшись с нами:

По телефону: 8(800)775-86-69
Электронной почте:Sales@3dtool.ru
Или на нашем сайте: 3dtool.ru

Так же мы выкладываем наши материалы в Telegram канале, на Dzen и в нашей группе Вконтакте