Bezpilotní letoun vytvořili brněnští vědci díky 3D tisku

Použití metody trojrozměrného tisku zkrátilo čas potřebný na výrobu a snížilo náklady. Do budoucna bude navíc snazší provádět potřebné úpravy trupu letounu. Podle odborníků se do budoucna bude zvyšovat podíl dílů vyrobených 3D tiskem také u klasických letadel.   

Bezpilotní letoun z 3D tiskárny se využívá například ke snímkování povrchu Země. | Foto: VUT

Snímkování zemského povrchu se stává stále využívanější službou. Právě pro tyto účely má sloužit nové bezpilotní letadlo, které vyvinuli brněnští vědci z Vysokého učení technického. Navíc jeho trup kompletně vytiskli na 3D tiskárně. To zabralo více než 140 hodin .

Letoun VUT 714 FDM navrhl a vytvořil student Fakulty strojního inženýrství VUT Martin Sladký pod vedením Petra Dvořáka z Leteckého ústavu. Cílem výzkumného týmu je osadit letoun autopilotem a kamerami a využít jej pro snímkování zemského povrchu.

„Letadlo je slepeno z 22 kusů, některé kusy se ale tisknou společně,“ uvedl student Martin Sladký. Při tisku větších dílů byly sice použity profesionální 3D tiskárny, které mají výzkumníci z Leteckého ústavu k dispozici, přibližně polovina dílů ale vznikla na klasické stolní 3D tiskárně. Ta by podle výzkumníků zvládla vytvořit celý letoun, proces by ale trval déle.

Drak letadla váží 1290 gramů, což odpovídá přibližně 430 metrům filamentu, tedy tiskové struny využívané v 3D tiskárnách. Pro tisk tým použil filament, tedy tiskovou strunu, z materiálu PLA. Tento materiál, neboli polylactic acid či kyselina polymléčná, je biologicky plně odbouratelný materiál vyráběný z kukuřičného nebo bramborového škrobu, případně z cukrové třtiny.

Vytištěno za týden

„Jedná se o úplně standardní materiál. V rámci výzkumu jsme se zabývali testováním pokročilejších materiálů, ale závěrem zkoumání bylo, že nejlepší parametry pro naše účely má běžné PLA,“ popsal Petr Dvořák z Leteckého ústavu FSI, vedoucí bakalářské práce Martina Sladkého, který s ním na návrhu a tvorbě letounu spolupracoval.

Ve srovnání s kompozitní verzí letounu VUT 714 je ta vytvořená na 3D tiskárně o 7 procent těžší, nicméně vnitřní struktura stále nabízí možnosti k odlehčení. Hlavní výhodou takto vyrobeného letadla je výrazně nižší pracnost při kompletaci a snadná možnost konstrukčních změn. 

Martin Sladký s bezpilotním letounem. | Foto: VUT

Výsledkem projektu je levnější a rychlejší výroba dronu. „Všechny díly letounu lze vytisknout během zhruba jednoho týdne a slepit se dají za zhruba jeden den. Celé sestavování je mnohem jednodušší a není potřeba mít nějaké specifické znalosti nebo dovednosti. Výhodou jsou také mnohem snazší opravy,“ podotýká Martin Sladký.

Při konvenční výrobě původní, kompozitové verze VUT 714 stál například jen materiál a frézování forem zhruba 70 tisíc, následovaly úpravy, leštění, separace. „Teprve po desítkách hodin práce se mohlo začít s vlastní laminací do forem. To také zabralo dost času, náklady na materiál jsou v řádu tisíců, je potřeba specializovaná dílna a zkušení technici. Výsledkem je letadlo, které se člověk bojí poslat do vzduchu, aby ho nerozbil,“ porovnává Petr Dvořák. Snadněji se také dělají potřebné konstrukční změny, které se provádějí v rámci digitálního modelu.  

Pozor na otevřené okno

Metodou 3D tisku výzkumníci vytvořili kompletní trup letounu, veškeré elektrické součásti byly nakoupeny v klasických modelářských prodejnách. „Aditivní metody výroby by se daly použít i na další komponenty letounu, třeba zmíněný motor. Museli bychom ale využít řádově dražších přístupů, jako například technologií kovového 3D tisku (SLM). Navíc nejsme odborníci na konstrukci takzvaných bezkartáčových stejnosměrných elektromotorů (BLDC). Tiskli jsme to, čemu rozumíme a co dává ekonomicky smysl – tedy drak letounu,“ zmiňuje Petr Dvořák a dodává: „Nevím o technologii, která by uměla vytisknout například kuličková ložiska srovnatelná s těmi konvenčně vyrobenými. Vytisknout kompletní letadlo v jedné tiskárně – to je hudba hodně vzdálené budoucnosti“.

V rámci pilotního projektu museli vědci překonávat některé překážky. „Ze začátku bylo rozhodně nejtěžší zorientovat se v několika nových programech. Ať už se jednalo o modelovací programy nebo o program na přípravu souboru pro 3D tiskárnu,“ vysvětluje Martin Sladký. Zvládnout museli i některé technické problémy. „Pro mě je pořád docela výzva vyrovnat se s tím, jak ‚náladová‘ 3D tiskárna umí být. Někdy se tisk povede perfektně, někdy ten samý tisk nedopadne. Je to kombinace spousty faktorů – od typu filamentu, parametrů tisku, přes promazání pohybových šroubů až po otevřené okno, které způsobí rychlejší ochlazování výtisku. Dá se to odladit, ale někdy to stojí dost nervů a materiálu…“ připojuje Petr Dvořák.

Snímkování země pro botaniky

Vývojem malých bezpilotních letadel se Letecký ústav Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně zabývá už více než deset let. „Spolupracujeme mimo jiné s Botanickým ústavem Akademie věd ČR na využití bezpilotních prostředků pro monitorování rostlinných invazí. V rámci této spolupráce jsme vyvinuli letoun VUT 714, který je ideální pro kolmé multispektrální snímání zemského povrchu. Napadlo mě, že by bylo zajímavé zkusit vytvořit 3D vytištěnou verzi tohoto letounu. Pořízením větší průmyslové 3D tiskárny pro studentské projekty jsme v roce 2018 získali perfektní zázemí a tak stačilo jen vypsat témata závěrečných prací a doufat, že se na ně přihlásí šikovní studenti,“ popsal Petr Dvořák vznik projektu.

To se podařilo. Kromě Martina Sladkého, který se věnoval tvorbě geometrie pro 3D tisk, se do projektu zapojil i Jan Hubáček, který testoval tiskové materiály a nastavení. Pro projekt byly důležité i zkušenosti Štěpána Dokoupila ze společnosti 3DLabPrint, který v Brně před několika lety začal tvořit modely historických letadel pro 3D tisk a nyní má desetitisíce zákazníků po celém světě. „V podstatě tenhle obor vytvořil. Studenti tak měli na dosah toho nejpovolanějšího mentora z praxe,“ navázal Petr Dvořák. Stejná společnost se zabývá i výrobou rádiově řízených modelů z 3D tiskáren.

Související: Místo psacího stolu výrobní haly. 3D tisk konečně nastupuje

Také autoři projektu mají k letectví dlouhodobý vztah. „Jako hobby modelář jsem měl zkušenosti jen s výrobou balzových větroňů. S 3D tiskem nebo návrhem vnitřního uspořádání RC letounu jsem žádné zkušenosti neměl a všechno jsem se musel naučit tak říkajíc za pochodu,“ zmiňuje Martin Sladký.

Své dva zájmy spojil v rámci vývoje bezpilotního letounu také Petr Dvořák. „Leteckému modelaření se věnuji asi od deseti let, focení mě začalo zajímat jen o něco později, a tak jsem už někdy v patnácti namontoval malý kinofilmový foťák na svůj první dálkově řízený větroň. Dá se tak říct, že s leteckou fotogrammetrií mám dlouholeté zkušenosti,“ usmívá se Petr Dvořák a navazuje: „Tenhle koníček mě dovedl až na Letecký ústav, který jsem vystudoval. Po několika letech v komerční sféře jsem se vrátil i jako zaměstnanec. Moje slabost pro modelaření se rychle projevila v tom, že jsem začal rozvíjet malé bezpilotní prostředky a jejich aplikace, například ono snímkování vegetace. 3D tisk využívám několik let, prozatím to bylo spíš na menší přípravky nebo součásti letadel“.

V současnosti má za sebou letoun první úspěšné zkušební lety na letišti v Brně-Medlánkách. Tím ale práce výzkumného týmu nekončí. V dalších krocích dojde k osazení modelu autopilotem a kamerami a otestování jeho schopností pro fotogrammetrické snímkování zemského povrchu. „Pokud vše půjde dobře, chceme tuto platformu nabídnout výzkumníkům po celém světě, aby měli open-source alternativu ke komerčním bezpilotním platformám, které dnes začínají na trhu dominovat,“ popsal Petr Dvořák s tím, že snímkování by mohlo posunout dál výzkumy v mnoha oborech.

Obor čeká slibná budoucnost

Zda se letoun může prosadit i na trhu nechce spekulovat. „Jaký je skutečný tržní potenciál si netroufám odhadnout, přece jen vytvoření letuschopného stroje z výtisků vyžaduje nějakou energii a pro spoustu zákazníků je jednodušší si připlatit za hotové řešení, které vytáhnou z krabice a rovnou hodí do vzduchu. Modulárnost a možnost přizpůsobit si výsledek svým potřebám nemusí být zásadní argument,“ upozorňuje Petr Dvořák.

Bezpilotní letoun vytištěný na 3D tiskárně. | Foto: VUT

Podle jeho slov má perspektivy jak 3D tisk v oblasti letectví, tak vylepšování samotného bezpilotního letadla. „Určitě existuje velký prostor v optimalizaci vnitřní struktury a celkovém zlepšení takzvané konstrukční účinnosti – jednoduše řečeno chceme drak ještě odlehčit, ale tak, aby vydržel všechna zatížení. 3D tisk se bouřlivě vyvíjí, takže se můžeme těšit na lepší materiály, přesnější a rychlejší tiskárny,“ nastiňuje Petr Dvořák.

Postupně se podle něj bude zvětšovat i podíl tisknutých dílů v sériových pilotovaných letadlech. „Zejména co se týká menších, tvarově složitých součástí. Ale kdo ví, třeba se jednou dočkáme i 3D tisknutého letadla, ve kterém se někdo z nás proletí. Přenositelnost 3D tisku v takovém rozsahu, jaký jsme použili my, na velká dopravní letadla se v současné době nejeví reálně. Velký potenciál má nicméně využití 3D tisku právě pro menší bezpilotní prostředky. 3D tisk velmi dobře splňuje klasické požadavky na malosériovou leteckou výrobu,“ uzavírá Petr Dvořák.

Dalibor Dostál

Pravidelné novinky e-mailem