4D-composietgeprinte dronevleugels die van vorm veranderen tijdens de vlucht (video)

De luchtvaartindustrie staat onder druk door hogere brandstofkosten en toegenomen controle op de milieu- en levenskwaliteitseffecten van vliegtuigen. Onderzoekers zijn op zoek naar nieuwe methoden om de kosten laag te houden en tegelijkertijd de algehele efficiëntie te verbeteren. De relatief nieuwe markt van onbemande luchtvaartuigen (UAV’s, of drones) is geen uitzondering.

UAV’s nemen een steeds grotere plaats in in luchtvaartkringen. In een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Composite Structures, presenteren Hoa en zijn co-auteurs een methode om UAV-vleugels goedkoper te maken en efficiënter tijdens de vlucht.

Met behulp van een techniek die Hoa ontwikkelde, bekend als het 4D-printen van composieten, voerden de onderzoekers een haalbaarheidsstudie uit naar de toepassing van een nieuwe manier om adaptive compliant trailing edge (ACTE) morphing wings te vervaardigen. De experimentele technologie vervangt de veelgebruikte scharnierende vleugelklep door een die aan het hoofdvleugellichaam is bevestigd maar tot 20 graden kan buigen.

“Ons artikel in het tijdschrift Composite Structures laat zien dat een UAV die dit soort vleugel gebruikt, een behoorlijke hoeveelheid belasting kan dragen voor kleine of middelgrote voertuigen”, zegt Hoa.

Materiaalreacties gebruiken

4D-printen is vergelijkbaar met 3D-printen, behalve dat de factor tijd wordt toegevoegd. Het ruwe materiaal reageert op een bepaalde prikkel: water, koude of warmte bijvoorbeeld. De print wordt gemaakt in het platte vlak en vervolgens blootgesteld aan de stimulus, waardoor een reactie ontstaat en het object van vorm verandert. De vierde dimensie verwijst naar de gewijzigde configuratie van het ooit platte materiaal.

Composiet 4D-printen is complexer. In plaats van een zachte substantie te gebruiken die gewoonlijk wordt gebruikt door 3D- en 4D-printers, vertrouwt het op een pezige combinatie van lange, fijne filamenten die op hun plaats worden gehouden door een hars. Elk filament is 10 micron dik. De 4D-composietprinter rolt zijn filament-harsmengsel uit in ultradunne lagen in een hoek van 90 graden van elkaar. De lagen worden vervolgens samengeperst en uitgehard in een oven op 180˚C, en vervolgens afgekoeld tot 0˚C, waardoor een object ontstaat dat stijf maar niet broos is.

De auteurs zeggen zo een stuk materiaal te kunnen maken met een uniforme kromming die is ingeklemd tussen de boven- en onderoppervlakken van de vleugelflap. Het geheel is flexibel en sterk genoeg om de 20-graden vervorming te ondersteunen die de vleugel nodig heeft voor vluchtmanoeuvreerbaarheid.

“Het idee is om een ​​vleugel te hebben die tijdens de vlucht gemakkelijk van vorm kan veranderen, wat een groot voordeel zou zijn in vergelijking met vliegtuigen met vaste vleugels”, zegt Hoa.

Platte pakketjes

Hij gelooft dat de composiet 4D-technologie een groot potentieel heeft voor allerlei toepassingen. De transporteerbaarheid van de producten, zegt hij, is een grote aantrekkingskracht. “Omdat het plat is, is het gemakkelijk te verpakken om naar afgelegen gebieden te verzenden, van het verre noorden van Canada tot de ruimte.”