При конструировании дронов используют углепластики. Они ценятся за свою прочность и сравнительно небольшую массу. А можно ли сделать композит еще лучше? Оказывается, можно. Технология 3D ткачества позволяет производить углепластики с более высокими прочностными характеристиками. Чем хороша технология и какие дроны летают разберемся в этом материале
Не каждый дрон — квадрокоптер
Дроны — техника, которая передвигается по земле, над землей и в воде без прямого участия человека. Передвигающиеся по воздуху дроны называют беспилотными летательными аппаратами (далее — БПЛА). БПЛА могут приводиться в движение разными способами, например, винтами. Такие БПЛА называют мультикоптерами. Мультикоптеры приводят в движение группа винтов, в зависимости от количества которых выделяют трикоптеры, квадрокоптеры, гексакоптеры и октокоптеры, в которых три, четыре, шесть и восемь винтов соответственно. Из всех мультикоптеров самый популярный в применении и в продаже является квадрокоптер (его можно купить в любых магазинах электроники, например по состоянию на ноябрь 2022 года в интернет-магазинах М.Видео, DNS, Эльдорадо предоставляется выбор квадрокоптеров, а остальных видов мультикоптеров у них в продаже почти нет — примечание автора). Квадрокоптеры применяют в геодезии и картографии, полиции, лесном и сельском хозяйствах, автономной логистике, при пожаротушении, поиске и спасении, инспекции линий электропередачи, видеосъемке, мониторинге трубопроводов и окружающей среды. Как перспективное направление рассматривается использование квадрокоптеров в доставке.
Материал для изготовления каркасов
При сборке квадрокоптеров стремятся увеличить полезную нагрузку и прочность каркаса. Сборные части квадрокоптеров изготавливают из дерева, пластика, алюминия, одного из видов стекловолокна G10, текстолит и углеродного композита (далее — УК). Последний материал является востребованным, отличается легким весом и прочностью, используется в виде композитного материала — углепластика. УК для квадрокоптеров серийно производятся плоскими листами или трубчатыми комплектующими. Наполнителями являются ткани, ленты, жгуты, нити. В некоторых случаях композиты модифицируются добавлением нанотрубок и нановолокон (работа Панина К.С. Разработка перспективного квадрокоптера для контроля утечек газа на магистральных и технологических трубопроводах для работы в условиях Сибири и Арктики — примечание автора). Листовые детали из композитов (их часто называют ламинатами — примечание автора) большой толщины изготавливают послойной укладкой. Наложенные слои скрепляются полимерными связующими. Такие ламинаты при вибрации и падениях подвергаются расслоению. Обладают низкой ударостойкостью, жесткостью. Вышеупомянутое в целом влияет на «живучесть» конструкции готового изделия и срок эксплуатации.
Проблему расслоения можно решить технологией 3D ткачества. При помощи технологии трехмерного ткачества изготавливают цельнотканую преформу (заготовка для будущего композита — примечание автора), которая в последующем пропитывается эпоксидными смолами или другими связующими. Цельнотканые изделия не подвержены расслоению, как слоистые композиты, так как они армированы еще и в вертикальной плоскости. В трехмерно-армированном наполнителе механические нагрузки равномерно распределяются по силовым направлениям и отсутствует дезинтеграция частей, по линии склейки слоев ткани как в слоистом композите. Благодаря наличию волокон в вертикальном направлении, даже при возникновении трещин, они не смогут распространяться, так как будут встречать препятствие в виде армирующего элемента третьего направления. Поэтому рамы из 3D ламината не подвержены динамическим разрушающим нагрузкам при падениях в случае аварийных ситуаций. Тогда как изделия на основе слоистых композитов разрушаются и приходят в негодность, что требует полной замены всей конструкции. Слоистые композиты и ламинаты из цельнотканой преформы одинаковых геометрических размеров имеют различную стойкость и прочность в эксплуатации. Вторые более надежные и менее подвержены разрушению. Если сделать так, чтобы прочность этих изделий оказалась на одинаковом уровне, то 3D ламинаты будут более тонкими и иметь меньший вес. Следовательно силовые элементы корпуса БПЛА из ламината, изготовленного из трехмерно-армированной цельнотканой преформы можно изготавливать меньшей толщины, что приведет к уменьшению веса корпуса и соответственно общей массы самой конструкции.
Помимо повышенной прочности 3D-армированные ламинаты обладают повышенной жесткостью, что влияет на жесткость конструкции. Данная характеристика заложена в структуре изделия, так как волокна в трехмерной цельнотканой преформе сориентированы, расположены прямо, без изгибов. В слоистом же композите они изогнуты.
Готовые композитные 3D ламинаты обрабатывают на фрезерном станке с числовым программным управлением (далее — ЧПУ). Из трехмерно-армированных ламинатов вырезают каркасные детали для сборки квадрокоптеров: несущие рамы, лучи и т.д. Во время обработки в лучи можно заложить элементы для соединения с основной частью, что дает дополнительный выигрыш веса. Композитные ламинаты из цельнотканой преформы обладают монолитной структурой, что снижает налипание материала на режущий инструмент фрезерного станка.
3D ткачество — новая перспективная технология, которая имеет большие возможности в расширении сфер своего применения. В Татарстане ею занимается компания ООО «Карбонтекс», которая разработала и изготовила силовые элементы для сборки каркаса квадрокоптеров. Технология 3D ткачества нашла новую перспективную сферу применения, которой является рынок БПЛА.
Наталия Зайцева, ООО «Карбонтекс»
Фотографии предоставлены компанией
На фотографии обложки представлен образец каркаса квадрокоптера производства ООО «Карбонтекс»
