Беспилотные летательные аппараты становятся больше, быстрее и мощнее. От картографических дронов и промышленных инспекционных платформ до долговечных БПЛА с неподвижным крылом, конструкторы должны уменьшить вес конструкции, не жертвуя при этом жесткостью, ударопрочностью или точностью размеров.
Композитная сэндвич-конструкция — один из наиболее эффективных способов достижения этого баланса. Легкая пенопластовая сердцевина приклеена между оболочками из углеродного волокна или стекловолокна, создавая структуру, которая значительно жестче, чем твердый ламинат аналогичного веса.
Однако не существует единственного лучшего материала пенопласта для каждого БПЛА. Пенопласт PMI, наполнитель из пенопласта ПВХ и наполнитель из пенопласта ПЭТ предлагают различный баланс веса, механических характеристик, температуры обработки и стоимости.
Правильный выбор зависит от нескольких факторов:
• Является ли компонент крылом, фюзеляжем или внутренней конструкцией
• Является ли это основной или вторичной несущей частью
• Требуемое соотношение жесткости к весу
• Температура и давление отверждения
• Метод изготовления
• Требования к ударной нагрузке и усталости
• Объем производства и бюджет материалов
В этом руководстве сравниваются Пена ПМИ, Наполнитель из пенопласта ПВХ и Наполнитель из пенопласта ПЭТ для крыльев и фюзеляжей БПЛА. В нем также объясняется, как выбрать подходящий материал в соответствии с конструктивными характеристиками, производственным процессом и стоимостью проекта.
Оглавление
Почему в конструкциях БПЛА используются пенопластовые материалы?
В композитной сэндвич-панели внешняя оболочка из углеродного волокна или стекловолокна выдерживает растягивающие и сжимающие нагрузки. пенопластовый сердечник разделяет обшивки и передает сдвиговые нагрузки между ними.
Увеличение расстояния между обшивками позволяет значительно улучшить жесткость на изгиб без добавления большого количества материала. Это делает сэндвич-конструкцию особенно ценной для конструкций БПЛА, где каждое снижение веса может улучшить время полета, грузоподъемность и маневренность.
Пенопластовые заполнители могут обеспечить следующие преимущества:
• Уменьшенный вес планера
• Повышенная жесткость крыла и фюзеляжа
• Улучшенная устойчивость к короблению
• Лучшая стабильность размеров
• Повышенная грузоподъемность
• Увеличение продолжительности полета
• Упрощение изготовления аэродинамических форм
• Непрерывное склеивание поверхностей для композитных обшивок
По сравнению с сотовым заполнителем структурный пенопласт часто легче обрабатывать, придавать ему форму и герметизировать вставки, края и отверстия. Пенопластовые материалы с закрытыми порами также обеспечивают хорошую устойчивость к проникновению влаги.
Пена PMI, пена ПВХ и пена ПЭТ могут использоваться в композитных сэндвич-конструкциях БПЛА, но они не являются взаимозаменяемыми.
PMI, ПВХ и ПЭТ-пена: основные различия
Пенопласт PMI обеспечивает высочайшее соотношение жесткости к весу и лучшую устойчивость к повышенным температурам обработки. В основном он используется в высокопроизводительных крыльях, конструкциях из препрега из углеродного волокна и основных несущих компонентах.
Наполнитель из пенопласта ПВХ обеспечивает хороший баланс механических характеристик, ударопрочности, технологичности и цены. Он подходит для вакуумных крыльев, нервюр, обтекателей, переборок и общих конструкций фюзеляжа.
Пенопластовый наполнитель из ПЭТ обеспечивает хорошие характеристики сжатия, конкурентоспособную стоимость и имеет термопластическую основу, пригодную для вторичной переработки. Как правило, он больше подходит для панелей фюзеляжа, конструкций полезной нагрузки и вторичных сэндвич-компонентов.
Окончательный выбор не должен основываться только на типе полимера. Также необходимо учитывать плотность, толщину пены, температуру обработки, поглощение смолы и местные условия нагрузки.
Пена PMI для высокопроизводительных крыльев БПЛА
PMI , или полиметакрилимидная пена, представляет собой высокоэффективную конструкционную пену, используемую там, где критически важны малый вес, высокая жесткость и обработка при повышенных температурах.
Он особенно подходит для конструкций БПЛА из углеродного волокна, изготовленных с использованием препрега и автоклавного процесса или процесса прессования с подогревом. Соответствующие марки пенопласта PMI могут сохранять стабильность размеров при температуре и давлении, необходимых для высокоэффективного отверждения композита.
Типичные применения пены PMI в БПЛА
Пену PMI можно использовать в:
• Обшивки крыльев БПЛА
• Крылья с большим удлинением
• Лонжероны и поперечные стенки крыла
• Поверхности управления
• Конструкции хвостового оперения
• Компоненты гребного винта и несущего винта
• Первичные оболочки фюзеляжа
• Внутренние каркасы конструкции
• Панели оборудования, выдерживающие высокие нагрузки
Для долговременного БПЛА с неподвижным крылом необходимо тщательно контролировать деформацию крыла. Чрезмерное отклонение может изменить аэродинамический профиль, снизить точность управления и снизить эффективность полета.
Пенопластовый сердечник PMI может обеспечить высокую жесткость на сдвиг и характеристики сжатия при относительно низкой плотности. Это делает PMI привлекательным для первичных конструкций, в которых требуется максимально возможное соотношение жесткости и веса.
Преимущества пены PMI
К основным преимуществам пенопласта PMI относятся:
• Высокая удельная жесткость
• Высокая прочность на сжатие по отношению к весу
• Отличная стабильность размеров
• Совместимость с отверждением при повышенных температурах
• Хорошие усталостные характеристики
• Точная обработка на станках с ЧПУ
• Пригодность для тонких сэндвич-структур
• Хорошая совместимость с системами препрегов из углеродного волокна
Пенопласт PMI обычно является предпочтительным наполнителем крыла БПЛА, когда в ламинате используется высокотемпературный препрег из углеродного волокна, и компонент должен выдерживать цикл отверждения в автоклаве.
Ограничения пены PMI
Пена PMI дороже, чем большинство марок пенопласта ПВХ и ПЭТ. Его превосходная температура обработки и механические характеристики могут быть необходимы не для каждого БПЛА.
Например, коммерческий дрон, изготовленный методом вакуумной инфузии при комнатной температуре, может не получить достаточной выгоды от PMI, чтобы оправдать дополнительные затраты на материалы.
Таким образом, пена PMI наиболее эффективна при избирательном использовании в критически важных областях, таких как:
• Основные конструкции крыла
• Лонжероны крыла
• Высокие нагрузки каркасов фюзеляжа
• Поверхности управления
• Компоненты, отвержденные при повышенной температуре
Вторичные крышки, обтекатели и легконагруженные панели могут быть более экономично изготовлены из пенопласта ПВХ или ПЭТ.
Пенопластовый наполнитель из ПВХ для экономичных конструкций БПЛА
Наполнитель из сшитого пенопласта ПВХ предлагает практичный баланс малого веса, прочности на сдвиг, прочности, обрабатываемости и стоимости.
Он широко используется в композитных сэндвич-структурах, изготовленных методами вакуумной инфузии, ручной укладки, трансферного формования смолы и отверждения при низкой или умеренной температуре.
Для многих промышленных, геодезических, сельскохозяйственных и коммерческих БПЛА пенопласт ПВХ обеспечивает достаточные механические характеристики без более высокой стоимости PMI.
Типичные области применения пенопласта ПВХ в БПЛА
Пенопластовый наполнитель ПВХ можно использовать в:
• Обшивки крыла с вакуумной обшивкой
• Нервюры крыла
• Переборки
• Обшивки фюзеляжа
• Обтекатели шасси
• Крышки двигателей
• Крышки аккумуляторных батарей
• Люки и панели доступа
• Поверхности управления
• Локальное усиление вокруг вставок
Для слабонагруженных панелей можно выбрать пенопласт ПВХ меньшей плотности. Пенопласт ПВХ высокой плотности можно использовать вокруг точек крепления, креплений, петель, соединений шасси и креплений оборудования.
Преимущества пенопласта ПВХ
Пенопласт ПВХ предлагает:
• Хорошая прочность на сдвиг
• Хорошая усталостная прочность
• Отличная устойчивость к ударам и повреждениям
• Низкое водопоглощение
• Структура с закрытыми порами
• Простая обработка на станке с ЧПУ
• Хорошая связь с обычными системами композитных смол
• Различные варианты плотности и толщины
• Совместимость с вакуумной инфузией
• Конкурентоспособная общая стоимость
Пенопласт ПВХ особенно полезен для компонентов БПЛА, которые могут подвергаться частым ударам при обращении, транспортировке, взлете или посадке.
Благодаря своей прочности он подходит для изготовления обтекателей, аккумуляторных люков, смотровых панелей и конструкций планера общего назначения.
Рекомендации по переработке пенопласта ПВХ
Перед выбором наполнителя из пенопласта ПВХ необходимо проверить цикл отверждения.
Стандартные сорта пенопласта ПВХ, как правило, больше подходят для отверждения при комнатной или умеренной температуре, чем для высокотемпературной обработки в автоклаве в аэрокосмической отрасли.
Температурные пределы варьируются в зависимости от марки и производителя. Производители БПЛА должны оценить:
• Максимальная температура отверждения
• Продолжительность нагрева
• Давление в автоклаве или прессе
• Плотность и толщина пены
• Геометрия инструмента
• Экзотермия смолы
• Риск деформации ячеек или разрушения сердцевины
Для низкотемпературного препрега или вакуумной инфузии пена ПВХ может быть эффективной и экономичной альтернативой PMI.
Для случаев совместного отверждения при высоких температурах обычно более безопасным выбором является подходящая пена PMI.
Пенопластовый сердечник из ПЭТ для фюзеляжей и вспомогательных конструкций БПЛА
Пенопласт ПЭТ представляет собой термопластичный конструкционный пенопласт, сочетающий в себе механические характеристики, гибкость обработки и конкурентоспособную стоимость.
Это особенно привлекательно для производителей БПЛА, которым нужны перерабатываемые основные материалы или продукты, изготовленные из переработанного ПЭТ.
В конструкции БПЛА пенопласт, как правило, больше подходит для панелей фюзеляжа и вспомогательных конструкций, чем для наиболее важных по весу и высокопроизводительных компонентов крыла.
Типичные области применения пенопласта ПЭТ в БПЛА
Пенопласт ПЭТ можно рассматривать для:
• Обшивки фюзеляжа
• Панели отсеков полезной нагрузки
• Аппаратные отсеки
• Аккумуляторные отсеки
• Внутренние перегородки
• Люки доступа
• Неосновные обтекатели
• Корпуса наземного оборудования управления
• Транспортные и защитные конструкции
Пенопласт ПЭТ также может использоваться в крыльях с умеренной нагрузкой, если выбранная плотность и марка соответствуют требуемым характеристикам сдвига, сжатия и усталости.
Однако ПЭТ не следует выбирать для крыла высокопроизводительного БПЛА только потому, что он экономичен или подлежит вторичной переработке. Должны быть оценены полные механические и технологические требования.
Преимущества пенопласта ПЭТ
ПЭТ-пена может обеспечить:
• Хорошие характеристики сжатия
• Хорошая термическая стабильность
• Совместимость с вакуумной инфузией
• Возможность термоформования
• Конкурентоспособная стоимость материала
• Пригодный для вторичной переработки термопластичный химикат
• Наличие марок с переработанным содержанием
• Пригодность для более толстых сэндвич-панелей
Для фюзеляжа или отсека полезной нагрузки БПЛА пенопласт может обеспечить эффективный баланс между структурными характеристиками, толщиной панели и стоимостью.
Пенопласт ПЭТ более высокой плотности также может использоваться в областях, требующих большего сопротивления местному сжатию, при условии, что сэндвич-структура правильно спроектирована и испытана.
Рекомендации по переработке пенопласта ПЭТ
Поглощение смолы необходимо учитывать при использовании пенопласта ПЭТ при вакуумной инфузии.
Открытые ячейки, канавки, перфорации и порезы на поверхности могут впитывать дополнительную смолу. Это увеличивает вес готовой сэндвич-панели и может снизить ожидаемое преимущество в весе пенопласта низкой плотности.
Поэтому конструкторам БПЛА следует сравнивать вес всего настоянного сэндвича, а не сравнивать только плотность пены.
Общий вес может включать в себя:
• Сухая пенопластовая сердцевина
• Впитанная смола
• Оболочка из углеродного волокна или стекловолокна
• Клеевые пленки
• Поверхностные наполнители
• Местное армирование
• Вставки и заливочные массы
Марки ПЭТ также могут различаться по хрупкости, ячеистой структуре, характеристикам термоформования и термостойкости. Перед серийным производством следует провести технологические испытания.
Какой пенопласт лучше всего подходит для крыльев БПЛА?
Выбор лучшего пенопластового наполнителя для крыльев БПЛА зависит, прежде всего, от нагрузки на конструкцию, температуры отверждения и производственного процесса.
Выбирайте пену PMI, когда:
• В крыле используется высокотемпературный препрег из углеродного волокна
• Будет применено давление в автоклаве
• Требуется максимальное соотношение жесткости к весу
• БПЛА имеет крыло с большим удлинением
• Летная долговечность важнее стоимости материала
• Стабильность размеров во время отверждения имеет решающее значение
• Крыло является основной несущей конструкцией
Выбирайте пенопластовый сердечник из ПВХ, когда:
• Крыло изготовлено методом вакуумной инфузии
• Температура отверждения относительно низкая
• Требуется хорошая ударопрочность
• Проект имеет контролируемый бюджет материалов
• БПЛА предназначен для коммерческого или промышленного использования
• Крыло содержит ребра или внутренние профили, обработанные на станке с ЧПУ
• Требуется баланс между производительностью и стоимостью
Рассмотрите пенопласт ПЭТ, когда:
• Крыло представляет собой конструкцию со средней нагрузкой
• Выбранная марка соответствует требуемым характеристикам сдвига и сжатия
• Вторичная переработка или возможность вторичной переработки являются приоритетом проекта
• Конструкция требует относительно толстого сердечника
• Процесс отверждения совместим с выбранной маркой ПЭТ
Для многих высокопроизводительных БПЛА PMI является предпочтительным ядром основной конструкции крыла.
Для недорогих крыльев, изготовленных методом вакуумной инфузии, пена ПВХ часто является более практичным решением.
Пенопласт ПЭТ требует тщательной оценки и, как правило, больше подходит для умеренно нагруженных или второстепенных конструкций.
Какой пенопласт лучше всего подходит для фюзеляжей БПЛА?
Фюзеляжи БПЛА содержат различные конструктивные зоны. В некоторых областях требуется высокая жесткость, в то время как в других требуется ударопрочность, прочность на местное сжатие или экономичная толщина панели.
Пена PMI для основных конструкций фюзеляжа
Пенопласт PMI подходит для высокопроизводительных обшивок фюзеляжа, основных шпангоутов и секций, изготовленных из высокотемпературного препрега.
Это особенно полезно, когда фюзеляж должен поддерживать точное выравнивание датчиков, антенн, оптических систем или оборудования связи.
Пена ПВХ для общих конструкций фюзеляжа
Пенопласт ПВХ является универсальным выбором для изготовления оболочек фюзеляжа, переборок, крышек оборудования и ударопрочных панелей, наполненных вакуумом.
Его прочность и обрабатываемость делают его подходящим для изогнутых конструкций, вырезов, отверстий доступа и местно усиленных участков.
ПЭТ-пена для вторичных панелей фюзеляжа
Пенопласт ПЭТ подходит для больших панелей фюзеляжа, отсеков полезной нагрузки, внутренних перегородок и вторичных покрытий, где важны стоимость и экологичность.
После проведения соответствующих структурных испытаний можно также рассмотреть возможность использования ПЭТ более высокой плотности вокруг мест установки оборудования.
В хорошо оптимизированном БПЛА не всегда используется один основной материал по всему планеру. Он может использовать PMI в основных конструкциях крыла, ПВХ в ударопрочных деталях и ПЭТ в более толстых вторичных панелях фюзеляжа.
Как выбрать плотность и толщину пенопласта
Тип материала сам по себе не определяет характеристики сэндвича. Плотность и толщина пены одинаково важны.
Увеличение толщины пенопласта обычно улучшает жесткость панели на изгиб, поскольку увеличивает расстояние между композитными обшивками.
Увеличение плотности пены обычно улучшает прочность на сжатие, прочность на сдвиг и устойчивость к местным нагрузкам. Однако это также увеличивает вес конструкции.
В практической конструкции БПЛА могут использоваться:
• Пенопласт низкой плотности в широких, слегка нагруженных панелях
• Пенопласт более высокой плотности вблизи петель, крепежных элементов и вставок
• Более толстый пенопласт там, где жесткость панели является основным требованием
• Пенопласт PMI в тонких, сильно нагруженных компонентах
• Пенопласт ПВХ в чувствительных к ударам местах
• Пенопласт ПЭТ в более толстых второстепенных панелях
Локальное армирование часто более эффективно, чем использование пены высокой плотности по всему компоненту.
Вставки высокой плотности, склеенные блоки или герметик можно добавлять вокруг:
• Болты и крепежные детали
• Соединения шасси
• Крепления двигателя
• Точки крепления крыльев
• Интерфейсы полезной нагрузки
• Опоры аккумуляторной батареи
• Петли и механизмы управления
Окончательная плотность и толщина пены должна быть проверена посредством структурных расчетов, изготовления прототипа и репрезентативных механических испытаний.
Дополнительные факторы, которые должны учитывать производители БПЛА
Совместимость со смолой
Пенопластовый заполнитель должен быть совместим с выбранной эпоксидной, винилэфирной или другой смолой.
Перед производством следует оценить адгезию, химическую стойкость, температуру отверждения и экзотермию смолы.
Поглощение смолы
Канавки, перфорации и открытые клетки могут поглощать смолу во время инфузии.
Чрезмерное поглощение смолы увеличивает ненужный вес и может снизить ожидаемую выгоду от использования пенопласта низкой плотности.
Точность обработки
Тонкие листы пенопласта для БПЛА часто требуют жестких допусков по толщине.
Профили крыльев, обработанные на станке с ЧПУ, конические кромки, каналы и внутренние конструкции должны сохранять свои размеры во время транспортировки, укладки и отверждения.
Подготовка поверхности
Пыль, загрязнения и поврежденные ячейки поверхности могут снизить качество склеивания.
Поверхность пенопласта следует очистить и подготовить в соответствии с требованиями клеевой или смоляной системы.
Вставки и точки крепления
Сосредоточенные нагрузки обычно не следует переносить непосредственно на пенопласт низкой плотности.
Вокруг крепежных элементов и структурных соединений обычно требуются вставки высокой плотности, склеенные блоки, заливочные массы или локально армированные ламинаты.
Проверка прототипа
Технические данные содержат полезную сравнительную информацию, но характеристики готового сэндвича зависят от всей ламинатной системы.
Репрезентативные испытательные панели должны быть изготовлены с использованием фактических:
• Марка и плотность пенопласта
• Толщина сердцевины
• Армирующий материал
• Система смолы или препрега
• Температура отверждения
• Давление отверждения
• Обработка поверхности
• Производственный процесс
Как JLON поддерживает производство композитных материалов для БПЛА
JLON поставляет конструкционные пенопластовые материалы и сопутствующие композитные материалы для крыльев, фюзеляжей и внутренних конструкций БПЛА.
Наше портфолио композитных материалов для БПЛА включает в себя:
• Пенопласт PMI для высокопроизводительных и высокотемпературных конструкций
• Пенопластовый наполнитель ПВХ различной плотности и толщины
• Пенопластовый наполнитель для фюзеляжа и вторичных сэндвич-панелей
• Тонкие листы пенопласта для чувствительных к весу компонентов БПЛА
• Пенопластовые наполнители, обработанные на станках с ЧПУ
• Листы пенопласта с рифлеными, перфорированными и контурными вырезами
• Ткань из углеродного волокна
• Стекловолоконная ткань
•
Отделяющая пленка • Защитная пленка
• Пленка для вакуумной упаковки
• Жидкостная среда
• Другие расходные материалы для вакуумной инфузии
JLON может поставлять стандартные листы пенопласта или обеспечивать индивидуальные размеры и обработку в соответствии с чертежами заказчика.
Изделия из пенопласта ПВХ и ПЭТ с соответствующей сертификацией DNV доступны для проектов, требующих документированной квалификации материала. Наличие сертификации должно быть подтверждено для конкретного сорта продукции.
JLON может помочь производителям БПЛА сравнить марки пенопласта по следующим критериям:
• Требуемая плотность
• Толщина сердцевины
• Механические характеристики
• Система смол
• Температура отверждения
• Рабочее давление
• Обработка поверхности
• Годовая потребность
• Целевая стоимость материала
Заключительная рекомендация
Пенопласт PMI, пенопласт ПВХ и Все пенопласты ПЭТ могут применяться в сэндвич-конструкциях БПЛА, но их не следует рассматривать как взаимозаменяемые материалы.
Выбирайте пену PMI для высокопроизводительных крыльев БПЛА, основных конструкций и высокотемпературной обработки препрегов. Он обеспечивает лучшее общее сочетание жесткости и веса, стабильности размеров и устойчивости к повышенным температурам, хотя его стоимость выше.
Выбирайте наполнитель из вспененного ПВХ для вакуумных крыльев, нервюр, общих конструкций фюзеляжа, обтекателей и ударопрочных компонентов. Он обеспечивает одно из лучших сочетаний структурных характеристик, прочности, технологичности и стоимости.
Выбирайте наполнитель из пенопласта из ПЭТ для панелей фюзеляжа, зон полезной нагрузки и вспомогательных конструкций, где важны характеристики сжатия, экономичная толщина панели и долговечность.
Во многих БПЛА наиболее эффективным решением является стратегия гибридного материала, а не использование одного пенопласта по всему планеру.
Подбор каждого пеноматериала в соответствии с нагрузкой, производственным процессом и функцией компонента может снизить вес и контролировать затраты без ущерба для структурной надежности.
Свяжитесь с JLON и сообщите чертежи компонентов вашего БПЛА, необходимую плотность, толщину, систему смолы, температуру отверждения и предполагаемую годовую потребность. Наша команда может порекомендовать подходящий пенопласт PMI, наполнитель из пенопласта ПВХ или наполнитель из пенопласта ПЭТ, а также предоставить образцы для производственных испытаний.
Часто задаваемые вопросы
Какой пенопласт лучше всего подходит для крыла БПЛА из углеродного волокна?
Пена PMI обычно предпочтительна для изготовления высокоэффективных крыльев препрега из углеродного волокна, особенно когда требуется отверждение при повышенной температуре или давление в автоклаве.
Пена ПВХ может быть более экономичным выбором для крыльев из углеродного волокна, изготовленных методом вакуумной инфузии или низкотемпературными процессами.
Можно ли использовать пену ПВХ в БПЛА с неподвижным крылом?
Да. Наполнитель из пенопласта ПВХ можно использовать в обшивках крыльев, нервюрах, переборках, поверхностях управления и панелях фюзеляжа, подвергнутых вакуумной заливке.
Выбранная марка пенопласта ПВХ должна соответствовать температуре отверждения и структурным требованиям.
Подходит ли ПЭТ-пена для крыльев дронов?
Пенопласт ПЭТ может использоваться в конструкциях крыльев БПЛА с умеренной нагрузкой, если его механические свойства и технологические характеристики соответствуют проектным требованиям.
Для конструкций крыльев с высокой чувствительностью к весу или первичных конструкций часто больше подходит пена PMI или ПВХ.
Какой пенопласт лучше всего подходит для фюзеляжа БПЛА?
Пенопласт ПВХ — универсальный выбор для общих конструкций фюзеляжа. Пенопласт PMI подходит для высокопроизводительных основных обшивок фюзеляжа, а пенопласт PET подходит для более толстых вторичных панелей и отсеков полезной нагрузки.
Могут ли разные материалы пенопласта использоваться в одном и том же БПЛА?
Да. В гибридной конструкции может использоваться пена PMI в основных конструкциях крыла, пена ПВХ в ударопрочных компонентах и пена ПЭТ во вторичных панелях фюзеляжа.
Такой подход позволяет сбалансировать вес, производительность и стоимость.
Может ли JLON предоставить изготовленные по индивидуальному заказу пенопластовые сердечники для БПЛА?
Да. JLON может предоставить стандартные листы пенопласта, а также компоненты, обработанные на станке с ЧПУ, рифленые, перфорированные, конические и контурные детали в соответствии с чертежами заказчика и производственными требованиями.