Machbarkeit der Anwendung von Basaltfasern auf kleine UAV-Strukturen
Übersicht über die Eigenschaften von Basaltfaserverstärktes Polymer (bfrp)
Am Beispiel einer 5 mm dicken pultrudierten Platte lassen sich folgende typische physikalische Parameter feststellen: - Zugfestigkeit: ≥500 MPa
- Elastizitätsmodul: ≥40 GPa
- Dichte: 1,8–2,0 g/cm³
- Bruchdehnung: 2,5–3,0 %
- KorrosionsbeständigkeitAusgezeichnete Eigenschaften (beständig gegen Säuren, Laugen und UV-Strahlung)
- Wärmeausdehnungskoeffizient: Ähnlich wie Beton; gutes Verhalten bei niedrigen Temperaturen
Machbarkeitsanalyse der Anwendung in kleinen UAV-Strukturen
- Vorteile
- Gewichtsreduzierungspotenzial: Mit einer geringeren Dichte als die von Aluminiumlegierungen (2,7 g/cm³) ermöglicht es eine Reduzierung des Strukturgewichts und verbessert dadurch die Flugdauer und Manövrierfähigkeit.
- Spezifische Festigkeit und spezifischer Elastizitätsmodul: Spezifische Festigkeit (Festigkeit/Dichte): ≈250–280 MPa·cm³/g, höher als bei Aluminiumlegierungen (≈140), aber niedriger als bei Kohlenstofffasern (≈600).
- Spezifischer Modul (Modul/Dichte): ≈20–22 GPa·cm³/g, vergleichbar mit Aluminiumlegierungen, aber nur ein Drittel des Moduls von Kohlenstofffasern.
- Schwingungsdämpfende Eigenschaften: Höherer Dämpfungskoeffizient als Kohlefaser, wodurch Flugschwingungen reduziert und die Sensorstabilität verbessert werden. • Elektromagnetische Transparenz: Stört keine Kommunikationssignale und eignet sich daher für Radar- oder Antennengehäuse.
- Umweltbeständigkeit: Beständig gegen feuchte Hitze und Korrosion, geeignet für UAVs in maritimen oder industriellen Umgebungen.
- Empfohlene Anwendungen
- Strukturen mit mittlerer bis niedriger Belastung: Rumpfspanten, Fahrwerksstützen, Flügelrippen.
- Nicht tragende Bauteile: Antennenhalterungen, Batteriefächer, Sensorgehäuse.
- Komponenten für spezielle Umgebungen: Teile, die Pestizidlösungen ausgesetzt sind, an landwirtschaftlichen UAVs, Rümpfe von maritimen UAVs.
Kosten-Leistungs-Vergleich mit Kohlenstofffaser (CFK)
Vergleich: Basaltfaser (BFRP) vs. Kohlenstofffaser (CFRP)
| Dimension | Basalt Faserverstärkter Kunststoff (BFRP) | Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) |
| Materialkosten | Teller: ca. 60–100 RMB/kg (Inland) | Platten: ca. 150–300 RMB/kg (Güteklasse T300) |
| Spezifische Stärke | Mittel (≈250) | Hoch (≈600) |
| Spezifischer Modul | Relativ niedrig (≈20) | Hoch (≈60-100) |
| Schlagfestigkeit | Mittel (Höhere Sprödigkeit als CFK) | Relativ hoch (Gute Zähigkeit) |
| Bearbeitungskosten | Pultrudierte Platten sind einfach zu verarbeiten, für komplexe Formgebungsverfahren sind jedoch zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich. | Die Kosten für das Heißpressen von Prepreg sind hoch, ermöglichen aber die integrierte Formgebung. |
| Haltbarkeit | Gute Dauerfestigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. | Ausgezeichnete Dauerfestigkeit, erfordert jedoch Schutz vor galvanischer Korrosion. |
| Gewichtsreduktion | 20–30 % Gewichtsersparnis im Vergleich zu Aluminiumlegierungen. | 40–50 % Gewichtsersparnis im Vergleich zu Aluminiumlegierungen. |
Kosten-Nutzen-Szenarioanalyse
- Kostengünstige Prioritätsdrohnen (z. B. Inspektionsdrohnen, Agrardrohnen): – BFRP kann einige Aluminiumlegierungskomponenten ersetzen, wobei die Kosten 30–50 % niedriger als bei CFRP liegen und eine überlegene Korrosionsbeständigkeit aufweisen, was insgesamt eine hohe Kosteneffizienz bietet.
- Anwendungen, die eine hohe Steifigkeit und ein geringes Gewicht erfordern (z. B. Renndrohnen, Drohnen für Luftbildaufnahmen): – CFRP bietet einen deutlichen Vorteil im Elastizitätsmodul und reduziert die aerodynamische Verformung; obwohl teurer, ist seine Leistung unersetzlich.
- Anwendungen mit besonderen funktionalen Anforderungen: Wenn elektromagnetische Transparenz oder Dämpfung/Vibrationsreduzierung erforderlich sind, kann BFRP als Zusatzmaterial für bestimmte Bauteile (z. B. Radarkuppeln) dienen.
- Technische Herausforderungen und Optimierungsrichtungen
- Hybridstruktur-Design: BFRP + CFRP-Laminate: Lokales Einlegen von Kohlenstofffasern in Bereichen mit hohen Steifigkeitsanforderungen, um Kosten und Leistung in Einklang zu bringen.
- Prozessverbesserungen: Entwicklung von BFRP-Prepregs oder 3D-gedruckten faserverstärkten Werkstoffen zur Verbesserung der Fähigkeit zur Herstellung komplexer Strukturen.
- Verbindungstechnik: Zur Verbesserung der Verbindungseffizienz werden geklebte Nietverbindungen oder Ultraschallschweißen eingesetzt.
Basierend auf der obigen Analyse eignet sich BFRP für Strukturen mit mittleren bis niedrigen Lasten in kleinen UAVs und bietet Vorteile hinsichtlich Gewichtsreduzierung, Korrosionsbeständigkeit und Dämpfungs-/Vibrationsreduzierung. In Bereichen, die eine hohe Steifigkeit erfordern, sollte es jedoch vermieden werden. Ist die Steifigkeit nicht der entscheidende Faktor, die Kosten jedoch schon, bietet BFRP ein deutlich besseres Preis-Leistungs-Verhältnis als CFRP.
Zusätzlich kann eine Hybridkonstruktion aus BFRP und CFRP in Betracht gezogen werden, um die Kosten zu optimieren.
Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) kann auch zur Simulation spezifischer Bauteile (wie z. B. der Flugzeugzelle) verwendet werden, wobei Gewicht und Kosten von BFRP und CFRP unter Berücksichtigung gleichwertiger Sicherheitsfaktoren verglichen werden, um die Materialauswahl auf der Grundlage von Daten zu steuern.
