Wie Hersteller Zuverlässigkeit und einen leisen Betrieb sicherstellen
Das Wachstum des Drohnenmarkts hat viele Ursachen: Eine wachsende Besorgnis in Hinblick auf die Sicherheit von Nationen und Grenzen sorgt für zunehmenden Bedarf in der fortschrittlichen Luftüberwachung, Paketzustelldienste verzeichnen eine durch die Pandemie angetriebene steigende Nachfrage nach Lieferungen durch Drohnen, und angesichts gefährlicher Umgebungen im Bergbau und im Baugewerbe erkennen viele Wirtschaftsunternehmen den Nutzen von Drohnen bei Kartierungs- und Inspektionsaufgaben. Die Vorteile des Einsatzes von Drohnen werden außerdem ständig für neue Anwendungen entdeckt, z. B. im Immobilienbereich, zur Klärung von Versicherungsansprüchen, in der Filmindustrie u. v. m. Die Schaffung eines angemessenen Regulierungsrahmens durch die FAA in den USA hat den kommerziellen Drohnenmarkt dort entscheidend vorangebracht. Experten und Marktanalysten gehen davon aus, dass sich Drohnen in den kommenden Jahren zu einer Multimilliarden-Dollar-Branche entwickeln werden.
Anforderungen an die Drohnentechnologie von morgen
Die technologische Lücke zwischen militärischen Drohnen und Freizeitdrohnen wird durch kommerzielle Drohnen geschlossen. Kommerzielle Drohnen müssen strenge Anforderungen an Zuverlässigkeit, Sicherheit und geringe Geräuschemissionen erfüllen und gleichzeitig eine kostengünstige Lösung darstellen. Darüber hinaus zeichnen sich die folgenden Trends ab:
- Autonomes Fliegen und längere Flugzeiten ohne oder mit minimaler Fernsteuerung durch einen Piloten, was fortschrittliche Sensoren und intelligente Funktionen erfordert
- Höhere Qualität der Bildgebung, die eine Bildstabilisierung unabdingbar macht
- Einhaltung von Lärmschutzvorschriften, insbesondere angesichts des in der Öffentlichkeit als sehr störend empfundenen hohen Motorengeräuschs
Bei allen Trends zu mehr Leistung hat die Sicherheit stets oberste Priorität. Für die Drohnenhersteller müssen die Entwicklungszyklen effizient sein, um den Anforderungen an Preisgestaltung und schnelle Markteinführung gerecht zu werden.
Polytec hilft Konstrukteuren dabei, einen zuverlässigen und leisen Betrieb zu gewährleisten
Die Konstrukteure von Drohnen sind bei der Optimierung von Leistung und Zuverlässigkeit auf genaue Simulationsmodelle angewiesen. Berührungslose Schwingungsprüfgeräte liefern schnelle und genaue Ergebnisse zur Modalvalidierung, die es dem Konstrukteur ermöglichen, die Anzahl der Prototyp-Iterationen zu minimieren, gleichzeitig die Industriestandards zu erfüllen und die Erwartungen der Kunden zu übertreffen. Das Niveau der während des Fluges auftretenden Schwingungen muss aus folgenden Gründen kontrolliert werden:
- Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen an die Geräuschemissionen
- Sicherstellung einer gleichbleibenden Bildqualität der On-Board-Kamera
- Erhöhung der Lebensdauer zur Vermeidung von Haftungsproblemen aufgrund von Schäden und Verletzungen
VVibrometer ermöglichen Modaltests sowohl an der gesamten Drohnenstruktur als auch auf Komponentenebene, ganz gleich wie klein diese auch sein mögen. Dies ist umso wichtiger, als hier der Schlüssel zum Verständnis der dynamischen Wechselwirkung zwischen den einzelnen Komponenten untereinander liegt. Wind und Luftturbulenzen sind externe Anregungskräfte, die die von den Propellern und Motoren ausgehenden Schwingungskräfte beeinflussen. Wenn sie nicht kontrolliert werden, können leicht kritische Resonanzen angeregt werden, die zu übermäßigen Schwingungen, Ermüdung und Brüchen führen.
Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine Betriebsschwingform eines Drohnenkörpers und stillstehender Rotoren bei 53 Hz. Die Bewegung der Struktur ist farblich hervorgehoben, während ihre Ruheposition durch die schwarz gerasterten Bereiche angezeigt wird. Die Schwingungsdaten wurden mit einem 3D Scanning Messsystem erfasst. Mithilfe eines robotergestützten Systems wurden in einem automatisierten Prozess mit kurzen Messzeiten Scans von verschiedenen Seiten und Winkeln aufgenommen. Die Kurven unterhalb der Schwingform sind die gemittelten Spektren aller Messpunkte in X-, Y- und Z-Richtung. Wie bei allen komplexen Strukturen müssen stets mehrere Resonanzfrequenzen berücksichtigt werden.
Modaltests wie der oben beschriebene werden zur Aktualisierung von Finite-Elemente-Simulationsmodellen mit einem bestimmten Geometrienetz verwendet. Der Ansatz der berührungslosen Messung ermöglicht hochdichte Messgitter ohne jegliche Massenbelastung der Struktur. Abbildung 2 zeigt den Testaufbau. Die Drohne ist an Gummibändern aufgehängt, sodass für den Modaltest Frei-frei-Bedingungen gewährleistet sind. Der darunter befindliche Shaker regt den Drohnenkörper mit einem kontrollierten Breitband-Vibrationsmuster an.
Das 3D-Scanning Vibrometer ist auf einem 6-Achsen-Roboter montiert, der einen visuellen Zugang von allen Seiten unter verschiedenen Winkeln ermöglicht. Drei Laserstrahlen scannen die Oberfläche der Drohne synchron und nehmen die Schwingungsantwort an jedem Messort auf dem Gitter aus drei verschiedenen Winkeln auf. Die Schwingungsamplituden werden dann intern in orthogonale Schwingungsvektoren des geometrischen Koordinatensystems der Drohne transformiert.
Das dynamische Verhalten von Propellern ändert sich während der Rotation, insbesondere bei hohen Drehzahlen, da die Zentrifugalkräfte an den Propellerblättern ziehen. Dies ist sehr schwer zu simulieren, und reale Betriebsdaten sind hier äußerst nützlich. Daher werden die Betriebsschwingformen von rotierenden Strukturen wie Lüftern und Propellern typischerweise mithilfe des Derotators von Polytec aufgenommen. Der Derotator ist ein Zubehör für das Scanning Vibrometer. Er dreht den Laserstrahl mithilfe eines rotierenden Prismas synchron zur Rotation des Propellers, wie in Abbildung 3 dargestellt. In der Software ist ein Standbild zu sehen, da der Derotator die Drehbewegung aus dem Bild entfernt. Nach der axialen Ausrichtung des Propellers und des Prismas entspricht der Messvorgang einem Test mit einem stationären Objekt.
Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für die Schwingform eines rotierenden Propellers. Im Bild sind alle Objekte in der Umgebung aufgrund der Rotation unscharf, während das rotierende Objekt gut zu sehen ist.
„Enabling Technology“ von Polytec
Die Vibrometer von Polytec basieren auf einem „Point and Shoot“-Ansatz unter Verwendung eines Laserstrahls. Das Interferometer im Inneren des Kopfes nimmt das reflektierte Licht auf und analysiert die Doppler-Verschiebung, die direkt proportional zur Schwingung des Objekts ist. Ein sehr wichtiger Vorteil der berührungslosen Technologie liegt darin, dass keine Massenbelastung das Ergebnis verfälscht. Der Laserstrahl kann entweder durch Manipulieren des Vibrometerkopfes oder mithilfe von Lenkspiegeln leicht neu positioniert werden. Mit geringem Aufwand können Hunderte von Punkten gemessen werden, da die Software es dem Benutzer ermöglicht, ein vordefiniertes Gitter von Messpunkten zu zeichnen oder zu importieren.
Laser-Doppler-Vibrometer sind extrem genau, da die Laserquelle wellenlängenstabil ist. Sie werden in Kalibrierlabors für die Primär- und Sekundärkalibrierung von Kontaktaufnehmern wie z. B. Beschleunigungsaufnehmern verwendet. Die neueste Vibrometertechnologie namens QTec® gewährleistet saubere, hochauflösende Zeitspuren, ohne dass eine Oberflächenbehandlung oder übermäßige Mittelung erforderlich ist.
Fazit
Die Drohnenindustrie steht am Anfang einer Wachstumsphase ungeahnten Ausmaßes. Polytec bietet Konstrukteuren und Testingenieuren die notwendigen Werkzeuge, um die ständig wachsenden Anforderungen an Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu erfüllen. Die Begeisterung für Drohnen nimmt zu, und die Öffentlichkeit wird nicht gestört, weil ihr Schallpegel im Rahmen bleibt.
Die technischen Experten von Polytec stehen Ihnen bei der Lösung Ihrer Messaufgaben mit Rat und Tat zur Seite. Wir bieten Testdienstleistungen, Vermietung und flexible Leasingoptionen an. Vibrometer sind in unterschiedlichen Ausführungen für eine Vielzahl von Testaufbauten erhältlich: von sehr großen Strukturen bis hin zu Mikrostrukturen, an einem einzigen Ort und über hochdichte Scangitter, in 1D und 3D, linear und rotationsdynamisch, als Stand-alone-System oder integriert in ein vollautomatisches Robotersystem.
Bildnachweise: Soweit nachfolgend nicht anders aufgeführt bei Polytec GmbH. Titelbild: ©Alex Yuzhakov/shutterstock.com
