AMRC: il drone realizzato grazie ad una stampante 3D

Un team di ingegneri del gruppo  di ricerca AMRC New Design & Prototyping Group (DPG) ha progettato, costruito e testato un prototipo di veicolo volante senza equipaggio (UAV, Unmanned Aerial Vehicle), comunemente detto “drone”, costruito interamente in plastica ABS, utilizzando la tecnologia Fused Deposition Modeling (FDM).

Il recente aumento dell’uso della stampa 3D con tecnologia ad aggiunta di strato e UAV (droni) ha portato alla disponibilità di un buon numero di UAV realizzati con stampa 3D e adatti ad una vasta gamma di applicazioni.

Dotati di piccola apertura alare, questi aeromobili ad ala fissa sono utilizzati per applicazioni che vanno dall’ hobby, al volo di ricognizione e supporto agli aiuti umanitari. Fattori chiave nello sviluppo di questi veicoli sono la fabbricazione con brevi tempi di consegna e bassi costi, e, in particolar modo, la facilità di montaggio. Con queste idee, la DPG ha intrapreso un progetto interno per progettare e costruire un prototipo di drone a basso costo, realizzato in ABS con la loro stampante 3D 900mc FDM Stratasys Fortus.
Data la relativamente grande dimensione dei componenti del drone, è stata preferita la tecnologia FDM, rispetto alla sinterizzazione laser selettiva (SLS) o alla stereolitografia (SLA), perché avrebbe richiesto minore investimento iniziale, perché usa materiale di minor costo, perché usa un processo di stampa più semplice e veloce.

AMRC-UAV drone realizzato con stampa 3d costruire FDM - stampa 3d forum

Normalmente, un aeromobile realizzato con tecnologia FDM richiederebbe una notevole quantità di materiale di supporto intorno alle componenti per evitare che le strutture cellulari deformino durante il processo di stampa. Usando questo materiale di supporto si aumenta il costo del materiale  aumenta significativamente anche il tempo di realizzazione, in alcuni casi di un ordine di grandezza.
Questo è dovuto alla necessità di dover cambiare le testine di stampa tra fabbricazione del prodotto e realizzazione delle strutture di supporto, operazione necessaria al termine della stampa di ogni strato.
Una struttura autoportante è più efficiente, ma è vincolata ad un angolo massimo dell’orientamento verticale (altezza dello strato). Questo requisito pone vincoli geometrici stringenti al progettista, in particolare nel caso di piccoli aeromobili operanti a bassi numeri di Reynolds, dove la prestazione finale dipende in gran parte  da una complessa combinazione di forme geometriche specifiche che devono essere orientate con grande precisione.

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Gli aspetti di produzione del progetto sono stati supervisionati dall’ingegnere Mark Cockinh, della Additive Manufacture Development: “Per farvi comprendere la capacità del processo FDM e del software associato, posso dirvi che siamo stati in grado di realizzare il progetto in modo tale da implementare un numero elevato di caratteristiche uniche e, nello stesso tempo, da prevenire la temuta deformazione dei componenti in fase di stampa 3D. Tutti i componenti necessari per il prototipo possono essere stampati in una singola sessione di stampa con la 900 DPGs Fortus, impiegando meno di 24 ore con materiale ABS-M30. Senza una progettazione finalizzata all’ottimizzazione del processo di stampa additivo, per produrre il prototipo sarebbero necessarie oltre 120 ore.”
Con questi vincoli ben presenti in mente, sono stati creati una serie di modelli CAD teorici. Sono stati considerati una vasta gamma di configurazioni, angoli di scansione, lunghezze di corda, rapporti cono e sezioni a profilo alare.

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John Mann, Development Engineer, è stato responsabile per la progettazione in dettaglio e la modellazione CAD del velivolo: “L’intera struttura del velivolo è stato progettata specificamente per la fabbricazione additiva. La configurazione ottimale per le diverse esigenze di prestazioni aerodinamiche e la produzione FDM sembrava essere il “blended wing-body”. Questo tipo di design ha una serie di vantaggi: principalmente per questo progetto, si presta alla tecnologia FDM a causa dei bordi lisci su ogni mezzo giro. “

Questa configurazione ha consentito di far rimanere tutta la geometria del prototipo al di sotto degli angoli critici oltre i quali sarebbe necessario materiale di supporto. Inoltre, i vantaggi aerodinamici per la fusoliera convenzionale e il profilo alare e il suo potenziale come piattaforma di test per una serie di nuove tecnologie erano aspetti molti importanti da considerare durante il processo di selezione delle soluzioni da usare.

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Abbiamo usato la Computational Fluid Dynamics (CFD) per ottimizzare il profilo alare scelto e anche per valutare la portanza, la resistenza, il “pitching-moment” ( http://en.wikipedia.org/wiki/Pitching_moment)
ed altre caratteristiche usando un’ampia gamma di angoli di incidenza.

Sam Bull, Development Engineer, ha condotto queste analisi: “La configurazione finale comprende due sezioni alari composte da una sezione più spessa, corpo del prototipo, speculare ad una sezione sottile convenzionale sull’ala esterna. Il bordo esterno è stato esteso da poppa fin vicino al centro; in tal modo il profilo alare speculare favorisce la stabilità longitudinale del disegno di tipo ‘senza coda'”.

Il processo FDM ha anche permesso al progettista di incorporare ali a freccia con bordi principali diritti, adatti al basso valore di Mach (velocità aerea) a cui il drone (UAV) opererebbe.

Il prototipo è composto di soli nove parti, che sono tutti costruite con il processo di FDM: due ali, due elevoni (ndr: sono delle superfici di controllo degli aeromobili che uniscono le funzioni di equilibratore (usato per il controllo di beccheggio) e gli alettoni (usati per il controllo di rollio). Sono utilizzati in particolare sugli aerei senza piano di coda. – http://it.wikipedia.org/wiki/Elevone), due antenne, due profili terminali ala e una spina centrale. Nessuno di questi componenti richiede materiale di supporto durante la stampa. Il velivolo è stato progettato per dividersi in due metà lungo l’asse centrale.
Questa configurazione, rispetto ad altre, ha consentito di poter stampare un’apertura alare più grande all’interno delle stampanti FDM, e reso più facile il trasporto. Una coppia di longheroni corti (anteriore e posteriore) si accoppia ad incastro a supporti stampati all’interno di ogni semiala, rendendo davvero breve il tempo necessario all’assemblaggio per il volo. Inoltre il basso numero di parti contribuisce ad abbreviare il tempo di fabbricazione del velivolo.
Il prototipo ha un’apertura alare di 1,5 metri e pesa meno di 2 kg.

La struttura interna delle ali è un semi-monoscocca finalizzata ad un certo numero di scopi:
– Le strutture a parete sottile, senza supporto, devono essere in grado di resistere alla distorsione  via via che l’altezza di costruzione aumenta durante la fabbricazione.
– Carichi aerodinamici lungo tutto il profilo alare, durante il volo, tendono a distorcere la struttura e a creare momenti flettenti, soprattutto nelle manovre. La struttura alare deve sopportare questi carichi.
– A causa della necessità di minimizzare il tempo di messa a punto e ridurre il numero di componenti, la struttura deve incorporare una soluzione che faciliti l’assemblaggio delle due semiali.

In questo caso, due longheroni (“spar” è un termine aeronautico, http://en.wikipedia.org/wiki/Spar_(aviation)) di localizzazione sono utilizzati per unire a scatto le ali, senza alcun fissaggio supplementare, mentre l’aggiunta di rigidità e resistenza serve a sostenere i carichi di lancio e di volo.

AMRC drone stampante 3d costruire stampa 3d foum

Le superfici di controllo, in questo caso elevoni “trailing edge”, sono stati progettate per il montaggio a scatto su due cerniere che sporgono dalla sezione dell’ala esterna.  L’elevone è controllato da un servo meccanismo, a trasmissione diretta, posto in ogni ala. I meccanismi di controllo sono fissati su perni di montaggio alloggiati all’interno della sezione poppiera del corpo. Le punte delle ali sono ricoperte da appendici piatte che si agganciano alle estremità delle sezioni a profilo alare, chiudendole così da calibrare il flusso d’aria e contribuendo a ridurre la resistenza indotta. Le appendici alari forniscono anche una certa stabilità nell’imbardata, e servono come struttura di contenimento per gli elevoni.

A fine dimostrativo, il drone è stato testato con un volo radiocomandato (come un aliante da un pendio).

Il velivolo ha mostrato buona stabilità e la silenziosità aerodinamica ad alta velocità ha sottolineato la validità del progetto dell’ala.

Il Dr. Garth Nicholson, Senior Design Engineer, ha supervisionato il progetto: “Dopo il successo delle prove di volo, il prototipo è attualmente in fase di ulteriore ottimizzazione al fine di incorporare appendici alari miste e una coppia di propulsori turbo elica, per raggiungere il voluto “fligh envelope” ( http://en.wikipedia.org/wiki/Flight_envelope). Sviluppi futuri includono la registrazione completa dei dati di bordo, dei parametri di volo, funzionamento autonomo dal GPS e il controllo tramite tecnologia “surface morphing” (“riconoscimento del terreno”). Stiamo studiando anche nuove idee da applicare a nuovi progetti di turboelica”.

Attraverso questo progetto, AMRC’s Design and Prototyping Group  ha dimostrato che progetti per la fabbricazione di parti relativamente grandi, a pareti sottili, possono essere ottimizzati per il processo di stampa FDM in modo tale da richiedere materiale solo per il prodotto senza alcuna necessità di struttura di supporto, consentendo  così un notevole risparmio di tempo di fabbricazione e di denaro.