Технические науки/11. Робототехника

Гнатченко И.А., Гнатченко А.А., канд. физ.-мат. наук Нурсеитов Д.Б.

Национальная научная лаборатория коллективного пользования информационных и космических технологий Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева, Казахстан, Алматы

Разработка аэродинамических частей для беспилотного летательного аппарата с использованием технологии 3D печати

Введение

На сегодняшний день военная промышленность развивается весьма интенсивными темпами. Это объясняется тем, что многие задачи, которые ранее казались трудновыполнимыми и были сопряжены с большим расходом человеческих, временных и экономических ресурсов, сегодня могут быть решены более эффективно и в более короткие сроки. В данном случае следует отметить высокую связность военных задач и информационных технологий, которые применяются при обработке комплексной цифровой информации.

Стоит отметить также, что авиационная промышленность в Казахстане является весьма перспективным направлением прикладной и научной деятельности и применение последних средств имитационного моделирования способно значительно ускорить процесс разработки, а также тестирования аэродинамики отечественных летательных аппаратов.

Актуальность беспилотников

Особое место среди всего множества летательных аппаратов занимает категория беспилотных летательных аппаратов или беспилотников. Отличительной особенностью данного вида военной техники является отсутствие необходимости нахождения летчика в кабине такого аппарата. Сам этот факт дает большое преимущество при использовании беспилотников, поскольку при этом безопасность самого летчика не подвергается риску. Из этого следует также, что летательный аппарат в этом случае может быть спроектирован значительно меньших размеров по сравнению с его "пилотными" аналогами. Еще одним преимуществом беспилотников является то, что они могут быть использованы при выполнении односторонних миссий, в процессе выполнения которых возврат техники является трудоемким или даже невозможным предприятием, однако сбор информации представляет большую ценность.

Традиционный подход

В настоящее время основной технологией производства таких беспилотных летательных аппаратов остается метод полуавтоматизированной сборки составляющих, который подразумевает использование фрезеровочных станков при формировании аэродинамических частей беспилотного летательного аппарата. [1]

Существенным недостатком данной технологии является то, что каждый фрезеровочный станок имеет лишь несколько встроенных функций или конфигураций, в соответствии с которыми он может придавать формируемому металлу необходимую форму. Однако производственный процесс изготовления таких аэродинамических деталей может изменяться, что неизбежно повлечет за собой изменение порядка обработки и дальнейшей сборки составляющих беспилотных аппаратов. При этом нет никакой гарантии, что при внедрении очередного важного улучшения в конструкцию беспилотного аппарата найдется необходимый фрезеровочный станок для выполнения соответствующих операций. Все эти обстоятельства ведут к повышению накладных расходов, а также к весьма серьезным ограничениям на конструкцию беспилотных летательных аппаратов, что в конечном итоге отрицательно влияет на экономическую окупаемость этого вида военной техники. [2]

Новый подход

Принципиально новым в данном случае является подход, в соответствии с которым при формировании всех конструктивных деталей и составляющих беспилотного летательного аппарата применяется единый формирующий механизм, обладающий свойством универсального устройства - 3D принтер. Это устройство позволяет в реальном времени формировать высокоточные модели любых трехмерных объектов вне зависимости от их сложности. В данном случае промышленный 3D принтер способен обеспечить необходимый уровень точности, а также сделать процесс проектирования и моделирования составляющих более удобным, организовав решение этой задачи с применением компьютерной техники. Для создания любой конструктивной детали в этом случае достаточно создать трехмерную модель формируемого механизма в специализированном программном обеспечении, после чего принтер может загрузить полученные команды из файла начать процесс создания трехмерной копии цифрового объекта в режиме реального времени.

Важным достоинством использования технологии трехмерной печати является то, что при внесении любых изменений в дизайн составляющих или в их конструктивные и функциональные особенности нет необходимости менять производственный процесс, поскольку 3D принтер в частности, а также технология трехмерной печати в целом являются универсальным средством моделирования трехмерных объектов. [2]

Стоит отметить ряд ограничений, которые ограничивают сферу использования этих средств. Технологии формирования аэродинамических составляющих беспилотных летательных средств предполагают, что объекты будут выполнены из особого вида прочного пластика. Это, в свою очередь, свидетельствует о том, что еще на стадии проектирования какого-либо изделия следует задуматься о недостатках пластика в сравнении с другими материалами. Например, реакция его на резкое изменение температуры или давления. В большинстве же случаев, технология 3D печати является разумной альтернативой при создании разнотипных трехмерных объектов. Пластик, сам по себе, обладает высокой устойчивостью к истирающим воздействиям, не подвержен коррозии, а также может применяться в прототипах, к конструктивным деталям которых предъявляются требования гибкости. [2]

Еще одним достоинством использования методов трехмерной печати применительно к построению как прототипов беспилотных летательных аппаратов, так и их реальных версий, является то, что весь процесс проектирования сводится к созданию чертежа в программе специализированной цифровой графики. Затем схема любого конструктивного узла или компонента просто сохраняется в цифровом виде и может быть использована другими пакетами для детального аэродинамического анализа и получения важных характеристик прочности и эффективности проектируемой детали. Возвращаясь к примеру с фрезеровочными станками можно заметить, что детали и конструктивные элементы, сформированные механическими станками, являются непригодными для цифрового моделирования и проведения аэродинамического анализа и для сбора необходимой информации. В этом случае потребуется наличие реальной аэродинамической камеры, которая является весьма дорогостоящим инструментом.

Будущее технологии 3D печати

Беспилотные летательные аппараты, формирование которых было осуществлено при использовании технологии трехмерной печати, позволят обеспечить автоматический контроль над поверхностью земли. Это, в свою очередь, положительно повлияет на уровень защищенности границ республики, а также приведет к значительной экономии денег, поскольку беспилотники могут разгрузить любые надземные средства патрулирования границ или же полностью взять эту важную работу на себя. [3]

Основной проблемой их внедрения остается стоимость. Сегодня на проектирование эффективного средства беспилотного патрулирования уходит значительное количество усилий и денег, поскольку даже при грамотно организованном производственном процессе экономические ресурсы, потраченные на тестирование реальных прототипов в аэродинамических камерах и их последующую корректировку, значительны. [3]

Применение технологии трехмерной печати позволяет ввести универсальное устройство, способное без изменения технологического процесса получать как прототипы для тестирования, так и готовые компоненты для сборки. При этом работа по дорогостоящему анализу структурной и компонентной базы сводится к использования высокопроизводительного программного обеспечения и проведению виртуальных, а значит более экономичных и быстрых, экспериментов.

Список использованной литературы

1. Марк Флеминг. "What is 3D Printing? An Overview" 2014г.

2. Ход Липсон. "Fabricated: The New World of 3D Printing" 2013г.

3. Исак Будмен. "The Book on 3D Printing" 2013г.