Легкие и прочные. Ученые улучшили "печать" летающих курьеров

Учёные Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ) разработали инновационные рамы для беспилотных аппаратов, изготовленные из пластика с интегрированными сверхпрочными нитями из углеволокна. Такая конструкция значительно повышает ударопрочность дронов, при этом сохраняя их легкость, что особенно важно для повышения эффективности и надежности доставки.

Использование передовых методов 3D- и 5D-печати позволяет не только адаптировать форму дронов под конкретные задачи, но и существенно снизить себестоимость производства, что открывает перспективы массового внедрения таких устройств в логистику. На конференции UralCon были представлены результаты этих исследований, которые демонстрируют потенциал новых материалов и технологий для развития беспилотной доставки.

При организации транспортировки грузов особое внимание уделяется сохранности содержимого даже в нестандартных ситуациях, таких как падения или удары. Важную роль играет не только прочность самой упаковки, но и её форма, вес и требования к аккуратности перевозки, которые зависят от характера и хрупкости перевозимых предметов. Исследователи ВолгГТУ подчёркивают, что комплексный подход к проектированию дронов и упаковочных решений позволит повысить безопасность и эффективность доставки, что особенно актуально в условиях растущего спроса на быстрые и надежные курьерские услуги.

В последние годы технологии доставки стремительно развиваются, и одним из самых перспективных направлений становится использование дистанционно управляемых устройств. Среди них особое внимание привлекают беспилотные летательные аппараты (БПЛА), которые способны значительно ускорить процесс транспортировки различных грузов. Как отметил заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов ВолгГТУ Алексей Макаров, ключевым параметром для роботов-доставщиков является высокая скорость, что накладывает особые требования на конструкцию аппарата. Чтобы обеспечить максимальную скорость и маневренность, конструкция БПЛА должна быть максимально легкой и одновременно прочной.

В рамках исследований, проведённых специалистами ВолгГТУ, было выявлено, что использование листового углепластика для изготовления всей основы БПЛА не является оптимальным решением. Это связано с особенностями распределения нагрузки на раму: основная нагрузка на изгиб, которая возникает из-за веса перевозимого груза, приходится преимущественно на верхние и нижние слои конструкции, в то время как средние слои практически не задействованы. Такой неравномерный характер нагрузки снижает эффективность использования материала и увеличивает общий вес аппарата, что негативно сказывается на его скорости и энергоэффективности.

Для повышения эффективности и снижения массы БПЛА учёные разрабатывают новые композитные конструкции, которые учитывают особенности распределения нагрузок и позволяют оптимизировать использование материалов. Это позволит создавать более лёгкие, быстрые и надёжные беспилотники, способные выполнять задачи доставки с максимальной эффективностью. В будущем внедрение таких инноваций может значительно изменить логистическую отрасль, сделав доставку товаров более оперативной и экономичной.

Современные технологии аддитивного производства открывают новые возможности для создания более легких и прочных конструкций дронов-доставщиков. В частности, применение пятиосевой печати с армированием непрерывным волокном позволяет значительно снизить количество используемого углеродного материала, что ведет к повышению экономичности и надежности основы дрона. Такая инновационная методика не только уменьшает вес конструкции, но и улучшает ее механические характеристики, обеспечивая долговечность и устойчивость к нагрузкам.

Учёные из Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ) разработали конструкцию дрона, которая эффективно защищает внутренние компоненты от воздействия осадков и механических повреждений. Это достигается за счет оптимального сочетания материалов и технологии производства, что особенно важно для беспилотных летательных аппаратов, эксплуатируемых в различных погодных условиях. Защита электроники и других чувствительных элементов гарантирует стабильную работу дрона и снижает риск поломок в процессе эксплуатации.

В рамках исследования специалисты сравнили механические свойства традиционных дронов с основой из листового углепластика (карбона) и новых прототипов. Новые образцы были изготовлены из полиэтилентерефталат-гликоля (ПЭТГ) и напечатаны в пятиосевом режиме из нейлона (полиамида PA6) с армированием непрерывным углеволокном. Результаты показали, что инновационные материалы и методы производства обеспечивают улучшенную прочность и долговечность при значительно меньшем весе конструкции. Это открывает перспективы для создания более эффективных и экономичных дронов, способных выполнять задачи доставки с высокой надежностью и в сложных условиях.

Современные технологии производства карбоновых конструкций открывают новые возможности для создания более прочных и надежных элементов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). По словам Алексея Макарова, напечатанные рамы обладают значительно повышенной прочностью на изгиб, что позволяет им выдерживать большие нагрузки и повышает устойчивость к механическим ударам. Это особенно важно для обеспечения долговечности и безопасности эксплуатации дронов в различных условиях.

Одной из наиболее уязвимых частей традиционных конструкций БПЛА является соединение четырех лучей с центральной платформой. Именно в этих местах часто возникают напряжения, приводящие к повреждениям. В ответ на эту проблему ученые Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ) разработали модифицированную конструкцию рамы, в которой увеличена площадь контакта между лучом и корпусом. При этом количество крепежных элементов сведено к минимуму, что упрощает сборку и повышает надежность соединения.

Изготовление сложных деталей из карбона традиционными методами сопряжено с высокой трудоемкостью, так как требует создания специальных форм для каждой уникальной детали. Это значительно увеличивает время и стоимость производства. Применение технологий 3D-печати позволяет обходить эти ограничения, обеспечивая возможность изготовления элементов сложной геометрии с высокой точностью и меньшими затратами. Таким образом, инновационные подходы к проектированию и производству карбоновых рам открывают перспективы для создания более эффективных и долговечных беспилотных систем, способных выдерживать серьезные эксплуатационные нагрузки и удары.

Современные аддитивные технологии производства открывают новые горизонты в создании сложных и высокопрочных деталей, существенно сокращая время и затраты на изготовление. В частности, применение 3D-печати позволяет обходиться без дорогостоящей и трудоемкой оснастки, что особенно важно при выпуске широкого ассортимента изделий с армированием. «В случае аддитивной технологии производства эта проблема и сопряженные с ней траты снижаются, то есть мы можем изготавливать широкую номенклатуру деталей с армированием без сложной оснастки», — отметил специалист.

Для примера, итоговая масса напечатанного луча беспилотного летательного аппарата (БПЛА) составляет всего 27 граммов, при этом в конструкции используется четыре таких луча. Каждый из них способен выдерживать нагрузку до 410 Ньютонов, что значительно превосходит показатели оригинального луча из углепластика, выдерживающего лишь 250 Ньютонов. Это означает, что каждый луч, изготовленный с помощью новой технологии, способен выдержать почти 40 килограммов веса. Благодаря этому беспилотник может поднимать более тяжелые грузы и сохранять целостность при столкновениях с препятствиями или при посадке в нестандартных условиях, — пояснил Макаров.

Таким образом, внедрение аддитивного производства не только повышает прочностные характеристики компонентов, но и расширяет функциональные возможности беспилотных систем, делая их более надежными и эффективными. В будущем такие технологии обещают стать ключевыми в разработке легких и прочных конструкций для различных отраслей промышленности, включая аэрокосмическую и робототехническую сферы.

Данное исследование стало возможным благодаря значительной финансовой поддержке, оказанной Российским научным фондом, а также администрации Волгоградской области. Финансирование проекта осуществлялось в рамках гранта № 24-29-20242, что позволило обеспечить высокое качество проведения научных изысканий и внедрение современных методик. Поддержка со стороны этих организаций сыграла ключевую роль в успешной реализации всех этапов работы, способствуя развитию научного потенциала региона и укреплению сотрудничества между исследовательскими институтами. Таким образом, результаты исследования не только расширяют существующие знания в данной области, но и открывают новые перспективы для дальнейших научных разработок.

Источник и фото - ria.ru