Industrielle Fertigung
Industrielles Internet der Dinge | Industrielle Materialien | Gerätewartung und Reparatur | Industrielle Programmierung |
home  MfgRobots >> Industrielle Fertigung >  >> Manufacturing Technology >> Industrietechnik

Woraus bestehen Drohnen?

Top-Materialien, die in Drohnen verwendet werden:

Es scheint wie gestern, dass Drohnen Neuheiten waren, Prototypen, die von Unternehmen und geschäftstüchtigen Bastlern gebaut wurden. Jetzt scheint es, als hätten Drohnen die Welt erobert. Sie sind überall und dienen in Industrie, Kunst und sogar als Kinderspielzeug . Es wird oft übersehen, dass diese kleinen Flugmaschinen erst seit kurzem üblich. Drohnen stecken noch in den Kinderschuhen, und mit der Verbesserung der Material- und Mikrocontroller-Technologien werden sich die Drohnen der Zukunft auf eine Weise entwickeln, die fast wie Science-Fiction erscheinen mag .

Indem wir untersuchen, wie Drohnen konstruiert sind und aus welchen Materialien sie bestehen können wir nachvollziehen, wie sich diese wichtige Technologie entwickelt hat, und ein Gefühl dafür bekommen, wie sie sich in naher Zukunft weiterentwickeln könnte.

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) ersetzen schnell traditionelle Landüberwachungsmethoden. Sie werden so schnell immer beliebter, dass einige sogar den klassischen Ausdruck „Vogelperspektive“ durch „Drohnenperspektive“ aufgegeben haben.

Also, was sind Drohnen? Wie sind sie gestaltet? Und was treibt ihren Aufstieg zu einer weit verbreiteten Technologie voran?

Finden wir es heraus.

Was sind Drohnen?

Für die meisten Menschen ist eine „Drohne“ eine bestimmte Art von unbemanntem Luftfahrzeug (UAV) :der Multirotor oder Multikopter. Wie der Name schon sagt, fliegen diese Maschinen, indem sie den Schub von zwei oder mehr motorgetriebenen Propellern nach unten leiten .

Die beliebtesten Consumer-Modelle sind Quadrocopter (4 Rotoren), aber kommerzielle Varianten umfassen Hexakopter (6 Rotoren) und Oktokopter (8 Rotoren) für mehr Auftrieb. Zwar gibt es eine Vielzahl von militärischen und zivilen Drohnen Da draußen konzentrieren wir uns auf gängige Multirotor-Drohnen und die Materialien, aus denen sie bestehen.

Um fliegen zu können, müssen Drohnen in der Lage sein, genügend Schub nach oben zu erzeugen um ihr eigenes Gewicht zu überwinden, daher wird die Materialauswahl in einer Drohne von der Minimierung der Drohnenmasse dominiert .

Jedes Gramm Material, das für die Herstellung einer Drohne verwendet wird, kostet beim Heben Energie, und jedes Gramm, das eingespart werden kann, verbessert die Leistung:

  • Erhöhte Frachtkapazität
  • Verlängerte Flugzeit
  • Reduzierte Trägheit und verbesserte Manövrierfähigkeit

Dieser Prozess der Materialauswahl und Konstruktion von Komponenten zur Minimierung der Masse wird als „Leichtbau“ bezeichnet “. Dies gibt uns die wichtigsten Auswahlkriterien für Materialeigenschaften:Minimierung der Masse durch Auswahl von Materialien mit geringer Dichte .

Teilweise Aufschlüsselung

Drohnen sind komplexe Geräte zusammengesetzt aus verschiedenen Komponenten zusammen arbeiten. Jede Komponente erfüllt eine andere Funktion , daher kommen bei der Auswahl der Materialien für die einzelnen Teile unterschiedliche Überlegungen ins Spiel . Allerdings muss bei jedem Teil einer Drohne die Materialdichte berücksichtigt werden, um das Gewicht zu minimieren und die Leistung zu maximieren .

Der Rahmen:hält alles zusammen

Der Rahmen gibt einer Drohne ihre Form und hält alle Subsysteme an Ort und Stelle . Da es eine mechanische Funktion erfüllt, ist die wichtigste Materialeigenschaft für den Rahmen die Festigkeit . Für kommerzielle Drohnen sind Thermoplaste wie Nylon-, Polyester- und Polystyrolvarianten eine beliebte Wahl, weil sie kostengünstig zu komplexen Teilen verarbeitet werden können mit Spritzgussverfahren .

Thermoplaste bieten auch gute Festigkeit und geringe Dichte , wobei mehrere Sorten Zugfestigkeiten über 100 MPa und Dichten unter 2 g/cm3 aufweisen. Viele Thermoplaste sind auch in Filamenten erhältlich, die zum kundenspezifischen 3D-Druck verwendet werden können , was Thermoplaste zu einem beliebten Bestandteil experimenteller Drohnen macht.

Während kommerzielle Drohnen etwas zusätzliches Gewicht opfern können, um erschwinglicher zu sein, sind industrielle Drohnen Leistung priorisieren . Ein Material mit hoher Festigkeit kann in kleineren Mengen verwendet werden, wodurch eine noch leichtere, leistungsfähigere Drohne entsteht.

Wenn wir eine Matmatch-Suche verwenden, um die Materialien mit der niedrigsten Dichte und der höchsten Festigkeit zu finden, finden wir die erste Wahl für Hochleistungs-Drohnenrahmen:kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe . Diese Verbundwerkstoffe bieten eine hohe Festigkeit, geringe Dichte und hohe Steifigkeit, um leichte, starre Drohnenrahmen herzustellen.

Motoren &Propeller:Abheben

Ohne eine Schubquelle würde eine Drohne niemals vom Boden abheben. Die Motoren, die Drohnen antreiben, sind herkömmliche Elektromotoren mit Kupferwicklungen und Permanentmagneten . Das Gehäuse der Motoren kann so gewählt werden, dass das Gewicht minimiert wird, und entweder Thermoplaste oder Aluminiumlegierungen weisen ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf.

Motoren können jedoch erhebliche Wärme erzeugen. Also Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminium , kann für das Gehäuse verwendet werden, um den Motor zu kühlen.

Der weltweite Markt für nichtmilitärische Drohnen, der von Herstellern in China dominiert wird, wird sich in den nächsten zehn Jahren auf einen Umsatz von 14,3 Milliarden US-Dollar verdreifachen. (Reuters)

Die Rotorblätter der Drohnen drehen sich mit hoher Geschwindigkeit, daher neigen sie dazu, den größten Verschleiß zu absorbieren, wenn eine Drohne fliegt (oder Abstürze). Genauso wie die Rahmenmaterialien, die Wahl eines optimalen Rotorblattmaterials ist eine Frage der Maximierung der Kraft bei gleichzeitiger Minimierung des Gewichts.

Einige Rotorblätter werden aus kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen hergestellt . Rotorblätter werden jedoch häufig beschädigt und ersetzt, so viele bestehen aus Thermoplasten, um die Austauschkosten zu senken sie, wenn sie brechen.

Da Rotorblätter in der Regel bei Hochgeschwindigkeitsstößen beim Drehen beschädigt werden, könnte ein Ingenieur, der ein langlebiges Rotorblatt entwerfen möchte, Materialien nach Schlagfestigkeit und Dichte filtern, um ein geeignetes Material auszuwählen.

Batterien:die Kraft zum Fliegen

Von allen Komponenten in einer Drohne Verbesserungen der Batterietechnologie könnte der wichtigste Durchbruch sein das machte moderne Multirotor-Drohnen möglich. So wie das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bei der Konstruktion mechanischer Komponenten berücksichtigt wird, kann die Batterieleistung anhand des Batteriegewichts gemessen werden .

Messungen wie spezifische Energie (J/kg) und spezifische Leistung (W/kg) beschreiben die Fähigkeit einer Batterie, Energie in Bezug auf die Masse der Batterie zu speichern und abzugeben .

Ältere Blei-Säure- und Ni-Cd-Batterien zu viel gewogen Für eine Drohne konnten sie lange fliegen, wenn sie sich überhaupt vom Boden abheben konnte. Allerdings moderne Lithium-Ionen-Akkus bieten genug Energie und Leistung in einem leichten Paket, um die heutigen Multirotor-Drohnen zu ermöglichen. Zukünftige Fortschritte in der Batterie- und Kondensatortechnologie werden noch leichtere und leistungsfähigere Drohnen ermöglichen.

Sensoren:das Nervensystem der Drohne

Multirotor-Drohnen vollziehen bei jedem Flug einen feinen Balanceakt . Wenn ein Motor zu viel Schub liefert, wird die Drohne kippen oder sogar umkippen. Genauso wie der menschliche Körper ein komplexes Netzwerk von Sinnen und Nerven nutzt, um sich beim Gehen auszubalancieren, verwenden Multirotor-Drohnen eine beeindruckende Reihe von Sensoren und Feedback-Mechanismen, um in der Luft zu bleiben .

Polizei und Strafverfolgungsbehörden verwenden Drohnen für die Untersuchung von Verkehrsunfällen, die Suche nach vermissten Personen, die Lokalisierung von Verdächtigen, Rettungsaktionen, die Aufdeckung illegaler Aktivitäten oder Operationen im Zusammenhang mit der öffentlichen Sicherheit oder für die Bevölkerung unbequem, die Sicherung sensibler Bereiche und die Untersuchung von Tatorten.

Die wichtigsten Teile des „Nervensystems“ einer Drohne sind ihre Neigungssensoren . Neigungssensoren, die eine Mischung aus Kreiselsensoren und Beschleunigungsmessern kombinieren, sind in Rückkopplungsschleifen mit den Motoren der Drohne eingebunden.

Eine fliegende Drohne nimmt ständig winzige Anpassungen am Motorschub vor, um waagerecht zu bleiben und sich von Luftströmungen und extremen Manövern zu erholen. Einige fortgeschrittene Drohnen kann auch jeden Rotor unabhängig kippen , wodurch die Drohne sowohl die Richtung als auch die Stärke des Schubs steuern kann, den sie von jedem Rotor erhält.

Drohnen können auch eine Vielzahl anderer Sensoren verwenden um ihre internen Systeme und die Welt um sie herum zu überwachen. Strom- und Spannungssensoren Helfen Sie der Drohne, die aus ihren Energiereserven gezogene Energie zu verfolgen , damit der Pilot weiß, wann es Zeit ist zu landen und aufzuladen.

GPS und magnetische Sensoren Hilfe bei der Navigation durch Messen des Standorts und der Ausrichtung der Drohne. Luftstromsensoren ermöglichen es Drohnen, ihre Fluggeschwindigkeit oder Windströmungen zu erkennen, und diese Informationen können in ihre Ausgleichsschaltungen zurückgespeist werden, um den Flug der Drohne noch stabiler zu machen.

Mikrocontroller und Kameras:intelligentere Drohnen

Dieselben Fortschritte in der Mikrochip-Technologie die das moderne Smartphone geschaffen haben, machen Drohnen zu fliegenden Computern . Viele der gleichen Chips, die auch in Smartphones zu finden sind (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm usw.) kommen auch in Drohnen vor.

Da Drohnen immer intelligenter werden, sind sie in der Lage, ausgefeiltere Aufgaben mit weniger menschlicher Kontrolle zu übernehmen . Derzeit können Drohnen damit ohne menschlichen Piloten vorgegebenen Pfaden folgen oder Messwerte von einem noch größeren Feld von Sensoren aufzeichnen. Aber Forscher lernen, wie man Drohnen programmiert immer komplexere Aufgaben ohne menschliche Hilfe zu erledigen.

Für die meisten Menschen besteht der gesamte Zweck von Drohnen darin, eine Kamera in Höhen zu tragen, die ein Mensch sonst nicht erreichen könnte . Sogar einfache Drohnen auf Verbraucherebene tragen eine Kamera, die entweder Videos an ein Smartphone zurücksendet oder Bilder im Speicher aufzeichnet.

Filmstudios verwenden High-End-Drohnen um ihre Filme mit großem Budget zu drehen. Fortschritte im Bereich „Computer Vision“ machen Kameras jedoch zu mehr als nur einer Nutzlast oder einem Hilfsmittel für menschliche Piloten. Die Drohnen der Zukunft werden Kameras verwenden, um die Welt um sie herum zu sehen und verwenden Sie diese Informationen, um sich selbst zu steuern.

Drohnen sind zunehmend in der Lage, ohne die Hilfe eines menschlichen Piloten zu fliegen oder sogar GPS zum Navigieren , und dies führt zu einer leistungsstarken neuen Fähigkeit:Drohnen arbeiten zusammen. Drohnenschwärme bestanden früher aus Teams von Drohnen, die GPS nutzten und mit einem zentralen Controller kommunizierten, um festzustellen, wo jeder Einzelne in die Gruppe passt.

Spitzenforschung hat jedoch Drohnen hervorgebracht, die ihre eigenen Onboard-Sensoren und sogar ihre Kameras verwenden, um andere Drohnen zu erkennen und in Formation zu fliegen . Bald könnte es üblich werden, Teams von autonomen Drohnen zu sehen, die als Rettungsschwimmer fungieren , Pflanzenpflege , oder in Suchformationen fliegen, um Katastrophenhilfemaßnahmen zu unterstützen .

Technologie mit globaler Wirkung

Drohnen scheinen jetzt überall zu sein. Sie drehen Filme, spielen in Filmen mit, helfen beim Verkauf von Immobilien, übertragen Sport, kreieren neue Sportarten, arbeiten auf Farmen und in Fabriken, jagen andere Drohnen und liefern vielleicht bald Pakete aus . Mit der Verbesserung von Materialien, KI und Mikrocontrollern werden Drohnen weiterhin eine breite Palette von Branchen revolutionieren .

Die Zukunft der Drohnen

Drohnen werden von Tag zu Tag beliebter und revolutionieren die Art und Weise, wie die Welt funktioniert und spielt. Die in Drohnen verwendeten Materialien wurden ausgewählt, um die Leistung mit hochfesten Rahmen und hohen Batteriekapazitäten zu verbessern und gleichzeitig das Gewicht zu minimieren.

Das Minimieren des Gewichts der Drohnen maximiert ihre Leistung , ob es darum geht, eine Kinodrohne für längere Drehs zu befähigen oder eine Renndrohne noch wendiger zu machen. Drohnen werden auch ständig intelligenter und es kann nicht lange dauern, bis autonome Drohnen zu einem festen Bestandteil des Alltags geworden sind.


Industrietechnik

  1. Woraus bestehen flexible Magnete?
  2. Woraus bestehen Passstifte?
  3. Welche Produkte bestehen aus Kohlenstoffstahl?
  4. Was sind Cobots?
  5. Welche verschiedenen Arten von Materialien werden bei der Bearbeitung verwendet?
  6. Was sind Kühlkörper und wie werden sie hergestellt?
  7. Woraus bestehen industrielle Bremsbeläge?
  8. Windkraft:Welche Materialien werden zur Herstellung von Windkraftanlagen verwendet?
  9. Reibmaterial:Was sind Bremsbacken?
  10. Was sind Werkstattzeichnungen?