Vorläufige Finite-Elemente-Analyse und Flugsimulationen eines modularen Drohnensystems, das durch Fused Filament Fabrication hergestellt wurde

Dieses Papier behandelt die Architektur und das vorläufige Design eines Unmanned Aerial Vehicle (UAV), dessen tatsächliches Betriebsszenario und erforderliche Leistungen seine Flugkonfiguration bestimmen. Das UAV ist ein Multirotor und kann als Tricopter, Quadrocopter, Hexacopter und Octocopter verwendet werden: die Anzahl (und entsprechende Anordnung) der Arme verändert seine Leistung. Die Anpassung ist kombiniert mit dem Konzept der additiven Fertigung, da alle Komponenten für die Herstellung in Fused Filament Fabrication (FFF) entworfen sind. Dieser Ansatz begrenzt die Anwendungsszenarien der Drohne nicht; er ist vielmehr ein weiterer Schritt in Richtung Anpassung, da er kontinuierliche Upgrades über die Zeit ermöglicht. Das Papier simuliert vier Szenarien und diskutiert, wie die Leistungen wie Nutzlast, Schub-Gewichts-Verhältnis, Effizienz, Flugzeit und Höchstgeschwindigkeit durch geeignete Konfigurationen optimiert werden können. Avionikkomponenten, die bereits auf dem Markt erhältlich sind, integrieren sich in einen anpassbaren und anpassungsfähigen Rahmen. Diese Analyse zeigt die kritischsten Bedingungen für die Struktur auf und führt eine strukturelle Validierung ihrer Leistung durch. Die Validierung des funktionalen Einsatzes von FFF-produzierten Teilen ist aufgrund des anisotropen Verhaltens der Teile herausfordernd. Einige strukturelle Elemente sind jedoch dünnwandig und profitieren von einem 100% linearen Innenfüllungsverfahren. Ein vereinfachter Ansatz für diese Elemente wurde bereits vorgeschlagen und durch einen Vergleich mit uni-direktionalen Kompositen validiert, deren 2D-Testverfahren und -methoden abgeleitet und angepasst wurden. Eine FEA einiger Elemente des Rahmens wird durchgeführt, wobei Schalelemente zur Diskretisierung der Geometrie verwendet werden. Eine ordnungsgemäße Definition ihrer mechanischen Antwort ist möglich, da das verfassende Modell nicht a priori isotrop ist, sondern das Verhalten der fertigen Teile widerspiegelt. Die Variabilität der Zugfestigkeit im Materialreferenzsystem ist hoch: ein vergleichende Analyse von Bauteil zu Bauteil beweist, dass das Design den Umweltbedingungen angemessen und angepasst ist; es hebt jedoch das Fehlen eines definierten Versagenskriteriums hervor.