In einem Schritt: Drohne mit Elektronik im 3D-Druck gefertigt

Wissenschaftler an der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) haben eine Drohne mit eingebetteter Elektronik und mit einem für die Luftfahrt zertifiziertem Werkstoff in 3D gedruckt. Die Elektronik wurde während des Druckprozesses in die Drohne eingebaut. Als Werkstoff kam Ultem 9085 von Stratasys zum Einsatz – ein haltbares und leichtes Material für die 3D-Druck-Methode Fused Deposition Modeling (FDM).

Das Fluggerät entstand in enger Zusammenarbeit des Singaport Centre for 3D Printing an der NTU (SC3DP) und Stratasys Asia Pacific, einer Niederlassung von Stratasys, eines Spezialisten für 3D-Druck und additive Fertigung.

Wie die Drohne gebaut wurde

Die Drohne, ein Quadrocopter mit vier Rotoren, wurde von Phillip Keane, NTU-Doktorand von der School of Mechanical and Aerospace Engineering, entworfen, gedruckt und geflogen. Der 3D-Druck lässt Objekte Schicht für Schicht bis zur Vollendung entstehen. Doch die Elektronik darin einzubetten, kann sich als Hürde erweisen, weil sie größtenteils die hohen Temperaturen des Druckprozesses nicht überleben wird. Handelsübliche Elektronikbauteile wurden daher modifiziert und in der Drohne in verschiedenen Stadien des Druckprozesses platziert. Sie überstanden die hohen Temperaturen während des Drucks, die mehr als 160 Grad erreichten, verglichen mit den üblichen 80 bis 100 Grad. Lediglich die Motoren und Propeller wurden montiert, nachdem das gesamte Chassis fertiggestellt war.

Phillip Keane erklärt, dass eine der härtesten Herausforderungen darin bestand, die elektronischen Komponenten zu finden, die theoretisch die Hochtemperatur-Druckprozess überstehen würden. Deshalb habe man einige, die Komponenten vor der Hitze schützenden Modifikationen vorgenommen, um sicherzustellen, dass diese den Prozess unbeschadet überleben. Dies betreffe neue Bauteile auf den Leiterplatten und eigens entwickelte Gehäuse.

Enge Zeitvorgaben

Die Drohne entstand in weniger als 14 Stunden. Während des Drucks mussten nur drei Pausen für die Unterbringung der Elektronik im Chassis eingelegt werden. Die Gehäuse, die mit Ultem 9085 bereits vorher gedruckt wurden, bilden eine glatte Oberfläche, so dass der 3D-Drucker einfach darüber drucken kann. Keane musste sich auch mit den engen Zeitvorgaben auseinandersetzen, denn einige der Komponenten hätten der Hitze nicht länger als 20 Minuten standgehalten.

Die Drohne ist nicht nur robust, sie kann auch mehr als 60 Kilo Gewicht mit sich führen. Die kommende Version der Drohne soll noch haltbarer und leichter sein und verbesserte Flugeigenschaften vorweisen.

Für Professor Chua Chee Kai, Executive Director of NTU’s SC3DP, ist die Drohne ein erfolgreiches Beispiel disruptiver Innovation, die sich durch die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern mit Industriepartnern erreichen ließe. Mit den Konstrukteuren von Stratasys und ihrer tiefgreifenden Expertise zum 3D-Druck habe man eine Drohne drucken können, die unglaublich robust sei und die der Hitze standhalte.

Fred Fischer, Director — Applications and Products, Stratasys Asia Pacific, freut sich darauf, in der Zusammenarbeit mit Industriepartnern und Hochschulen weitere Möglichkeiten des 3D-Drucks und seiner Werkstoffe zu entwickeln und sichtbar werden zu lassen.

Ultem 9085 ist ein thermoplastischer Kunststoff für den 3D-Druck, der sich durch ein hohe Festigkeit bei verhältnismäßig geringem Gewicht und ein positives FST-Rating (Feuer, Rauch, Toxizität) auszeichnet. Damit empfiehlt er sich für den Einsatz in der Transportbranche, speziell in der Luft- und Raumfahrt.

Professor Louis Phee, Chair, School of Mechanical and Aerospace Engineering an der NTU, sieht die unbemannten Fluggeräte als eine der Hauptstoßrichtungen an der Fakultät. Mit einem Studiengang für Aerospace Engineering, dem ersten an einer Universität in Singapur, habe man erfolgreich die besten Studenten anziehen können.

Bild:  NTU PhD Student Phillip Keane mit der 3D gedruckten Drohne vor dem Stratasys-Drucker
Credit: Image courtesy of Nanyang Technological University