UAVドローン分野における複合材料の応用

応用分野や使用目的の違いにより、無人航空機と従来の運搬機では、製造材料や機体構造に大きな違いがあります。運搬機を設計する場合、最初に考慮すべきことは人間の運搬要素であり、機体構造の安全性と材料の耐荷重性に関する対応する基準と要件があります。ただし、ドローンは人間の安全性能の問題を考慮する必要がなく、機体構造の設計と製造材料においてより多くの試みと選択肢があります。複合材料は、剛性、強度、耐震性、耐疲労性、熱膨張係数の点で優れた性能を備えているため、無人航空機の製造に適した材料です。

（1）無人航空機用複合材料の応用部品

1. 構造部品：ドローンの主構造、翼、尾翼、その他の部品は複合材料で作ることができます。複合材料は軽量、高強度、優れた耐疲労性、耐衝撃性を備えているため、無人航空機の耐用年数が長くなり、飛行性能が向上します。
2. モーター室：モーター、コントローラーなどの無人航空機のコアコンポーネントも複合材料を使用して保護できます。複合材料は優れた電磁シールド性能を提供し、電磁干渉を効果的に低減し、無人航空機の電気システムの安定した動作を保証します。
3. 放熱材料：ドローンは飛行中に大量の熱を発生しますが、複合材料を使用して放熱フィンを作ることで、ドローンが効果的に熱を放散し、機器の正常な動作を確保するのに役立ちます。
4. 燃料システム: 無人航空機の燃料システムにおける複合材料の応用はますます重要になっています。たとえば、複合水素貯蔵タンクは、ドローンの動力源として水素ガスを貯蔵するために使用できます。
5. センサーケース: ドローンには、GPS、気圧計、ジャイロスコープなどのさまざまなセンサーを搭載する必要があります。複合材料を使用して軽量で強度の高いシェルを作成し、センサーを外部環境の影響から保護し、精度と安定性を確保できます。

（2）ドローンの複合部品の製造工程の分析

1. ホットプレス成形工程

ホットプレス成形プロセスは、無人航空機用複合材部品の内外品質を軽量かつ優れたものにし、樹脂含有量が均一で機械的特性が優れているため、無人航空機の主な耐荷重部品や高速要件の複合材部品を製造するための好ましいプロセスとなっています。ホットプレス成形プロセスの欠点は経済効率が悪いことです。これは主に製造設備、初期投資、加工コストに対する要件が高いことに反映されており、この技術の普及をある程度制限しています。そのため、経済的利益を考慮して、低温低圧成形技術はドローンの実際の製造プロセスで簡単に置き換えられることがよくあります。

2. 真空バッグ成形工程

真空バッグ成形技術の利点は、コスト効率が高く、最小限のコスト投資で理想的な製造結果を達成し、プロセス操作の難易度が低いため、普及と実装が容易であることです。欠点は、成形圧力が比較的小さいため、実装対象は主に品質基準要件が比較的低い複合材料部品であることです。適用範囲の観点から見ると、真空バッグ成形技術は、小型低速無人航空機用複合材料の製造において比較的一般的です。操作方法の観点から見ると、真空バッグ成形技術の準備操作には、主に予備含浸材料敷設と湿式敷設の2つの方法が含まれます。操作効率の観点から見ると、予備含浸材料敷設プロセスにおける複合部品の接着剤コーティングは均一で、安定性と品質が良好です。

3. 圧縮成形プロセス

圧縮成形プロセスの利点は、生産効率が高く、操作が簡単で、経済性が高く、成形圧力が高く、ドローン製造のコスト投入と品質出力のバランスをとることができることです。 適用範囲から見ると、成形プロセスは主にUAVフォームサンドイッチ構造の複合部品の製造に使用されます。 操作プロセスの観点から、成形プロセスは2つのステップに分かれています：①フォームコア製造とスキン舗装、②成形、プレス、硬化。 実施効果から見ると、ドローン翼パネルの複合材料部品にこのプロセスを使用すると、ドローン翼の美観と精度が大幅に向上します。 また、圧縮成形プロセスの最適な効果を確保するために、圧縮機の合理的な選択に注意を払う必要があります。

4. 低温成形技術

低温成形技術の利点は、比較的低いプロセスコストと制御可能なエネルギー消費です。低温ポリマー樹脂を60〜80度で硬化させて成形できるため、現在のホットプレス成形プロセスの有効な補完となります。適用性の観点から見ると、低温成形技術は複合部品の寸法公差が強いだけでなく、常温常圧で複合材料を直接硬化・成形できるため、さまざまなタイプのドローンに広く使用されています。運用効率の観点から見ると、高温成形技術製品と比較して、低温成形技術は無人航空機の製造コストを大幅に削減し、複合部品の優れた品質を確保できます。また、低温成形技術で良い結果を得るためには、樹脂と低温成形プリプレグの継続的な改善に注意を払う必要があります。

（3）無人航空機用複合材料の割合

ドローンの主構造と翼部品は、通常、複合材料、アルミニウム合金などの軽量で高強度の材料で作られています。これらの材料は比較的高価ですが、軽量であるため、ドローンの飛行性能を向上させるのに有利です。ドローンのコストに占める構造材料の割合は約20％～30％です。

ドローン構造における複合材料の重量割合は、ドローンの種類、サイズ、および適用シナリオによって異なります。一般的に、ドローン構造における複合材料の重量割合は 50% 以上に達することがあります。大まかな推定値は次のとおりです。

小型無人航空機：小型無人航空機の場合、複合材料の使用割合は比較的高く、機体重量の70％～80％に達することもあります。これは、小型ドローンでは飛行性能を向上させるために軽量材料が使用されることが多いのに対し、複合材料は強度と剛性が高く、小型ドローンの構造要件を満たすことができるためです。

中型ドローン：中型ドローンの構造材料の割合は比較的低く、複合材料が重量の約50％〜60％を占めています。これは、中型ドローンは燃料、センサー、ペイロードなど、より多くの荷物を運ぶ必要がある可能性があるため、構造材料の選択は性能と重量のバランスに重点を置いているためです。

大型無人航空機：大型無人航空機の構造における複合材料の重量比率は比較的低く、約30％〜40％です。これは、大型無人航空機が主にアルミニウム合金、チタン合金などの重い構造材料を使用して、より大きな荷重と風荷重に耐えるためです。また、大型ドローンには燃料、設備、人員を収容するためのスペースが広くあることが多いため、使用される複合材料の割合は比較的低くなります。