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ThinKing – 超级轻量化大力神无人机

德国巴登符腾堡州2021年1月的ThinKing创新奖授予了德国普福尔茨海姆大学两名学生。他们始终如一地应用不同学科的知识,凭借坚持不懈的努力,将一个研究项目变成了真正的轻量化成果。这架为轻量化四旋翼飞行器,重量减少了60%,但却能携带4倍于自身重量的物品。

 

一目了然:
- 功能一体化:无人机的支腿与底板融为一体。
- 3D打印:由聚乳酸加成而成,板子只需要大就可以了。
- 轻量化结构的多重效果:较小的电池重量只有三分之一。
- 贴心的采购:精挑细选的买来的零件重量少了三分之一。

马克-舒尔茨说:"第一架无人机重达1.5千克,这太重了,几乎无法飞行。"他和肯-诺埃花了6个月的时间,从这架无人机出发,开发出了一款轻量化四旋翼无人机,这也是他的学士论文工作。两人都是德国普福尔茨海姆 "机械工程/产品开发"专业的本科毕业生,目前是 "机电系统开发"专业的硕士研究生。"电子、控制和显示技术、软件开发、计算机科学、电路板生产、轻量化和快速成型制造--我们在整个学习过程中所学到的一切,无一例外地都投入到了这次开发中。"诺埃热情地说道。

用FEM分析重新设计
两人可以理直气壮地感到骄傲。首先,底板的重新设计带来了减重的最大进步。"对于第一架无人机,我们并没有在底板上使用很多空间,"舒尔茨说。因此,新的几何形状只限于必要的表面积--特别值得一提的是,支腿已经是板的一个组成部分。否则,必要的螺丝连接会带来额外的重量。而无人机由于零件数量少,组装速度大大加快。目前轻量化四旋翼无人机的3D打印底板采用PLA作为材料。由于采用了快速成型制造工艺,在制造过程中,必要的电缆衬套和其他凹槽已经可以集成到板上。对带支腿的底板进行有限元分析后发现,在支腿并入底板的地方,荷载最大的地方必须用曲线和凹槽来稳定。更小的电池可以节省额外的重量约22%,其减重份额也相当可观,表现出典型的轻量化效应:当运动质量变得更轻时,可以大大节省能源。采购的零部件以轻量化为重点,进一步减轻了重量。例如,无人机的机脚--以前是带紧固件的叶形弹簧,现在被轻量化中空铝型材所取代,它还连接着顶板和底板。目前的版本在连接技术、电缆布线和焊点保护以及购买的部件方面都符合轻量化多旋翼无人机的技术水平。

控制工程实验室和负载驴
由于学士论文的题目是 "开发多机种试验台,实现高度控制的可视化",所以轻量化多旋翼无人机上已经有了传感器和控制技术,还有两个滑动轴承,限制了它在试验台上两极之间的飞行路径。在这里,无人机将飞上飞下,作为控制工程相关性的试验室,为后来的学生服务。例如,所实施的高度控制系统可以实际证明干扰如何影响控制系统。"
这个项目从本科生学习开始,在联合学士论文中继续进行,现在,两人还被聘为大学的研究助理,与他们的硕士学习平行,甚至用于年轻学期的教学目的。"海德里希教授说,他在过去三年内指导了这些学生的工作。来自普福尔茨海姆轻量化四旋翼无人机的另一个重要特点是:目前,该无人机的底部中间有一个电磁铁,可以用来运输较小的货物,并有针对性地投放。500克轻量化四旋翼无人机的浮力足以提升4倍于自身重量的载荷。然而,要想利用这个最大负荷,就必须用夹持器代替电磁铁。

轻量化的魅力
即使在完成目前的工作后,原型机在轻量化方面还有进一步优化的可能。例如,底板的材料可以采用纤维增强型塑料,由于材料的刚性增加,从而进一步节省重量。此外,通过重新加工转接板,取消标准的Arduino Uno组件,可以节省更多的组件,从而进一步减轻重量,也可以扩大功能范围。电磁铁也具有进一步改进的潜力。诺埃描述了他的动机:"我们想从头开始开发,并了解在不同学科的轻量化项目中,你必须处理哪些问题和面对哪些困难。"舒尔茨补充说:"特别的挑战是必须应用学士学位的所有知识,跨学科--从而为硕士学位做准备。" 也许这就是轻量化的魅力所在--多学科的方法挑战年轻的工程师,成功让梦想飞翔!

关于德国普福尔茨海姆大学--技术学院
德国普福尔茨海姆大学有三个学院--设计学院、技术学院和商业与法律学院。学院将创造力与商业教育和技术的精确性相结合。普福尔茨海姆大学技术学院注重以应用为导向的可持续教学。位于那里的产品开发和生产的研究重点涵盖了企业产品开发和生产的两个基本核心流程。由于这些流程在企业中的联系非常紧密,而且相互影响,所以将它们结合在一起,共同关注。
 

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作者:霍斯特-弗里德里希

轻量化技术会议

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会议地点:辽宁沈阳
主办单位:中国轻量化技术网,德国巴符州轻量化局

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