Un châssis imprimé en 3D pour un drone quadrirotor

Cet article fait suite à Concevoir un châssis de drone à l’aide de l’impression 3D. Il présente les caractéristiques le châssis imprimé ainsi que des pistes d’amélioration.

Évaluation préliminaire du prototype

Des essais de traction et de flexion ont été effectués sur des échantillons standardisés dans le but d’obtenir les caractéristiques mécaniques de base d’un pli en nylon et d’un pli en fibre de verre. Les propriétés globales du composite nylon/verre fabriqué avec l’imprimante Mark One ont ainsi pu être déterminées. Ces résultats ont par la suite été validés à partir d’échantillons plus complexes représentatifs de la pièce à fabriquer qui ont été testés expérimentalement et comparés avec les résultats de la simulation numérique.

La plaque inférieure du châssis est de faible épaisseur (1,5 mm) et directement soumise au poids des batteries et de la charge utile. Il était préférable de vérifier l’intégrité de cette partie du châssis, d’autant plus que la plaque de la version actuelle de Dronolab est en composite renforcé par fibres de carbone dont la rigidité est élevée. Un modèle numérique ayant été construit, la plaque a été modélisée à l’aide du logiciel ANSYS Mechanical APDL 15.0.

Les batteries sont maintenues en place sur la plaque par des sangles attachées aux supports et aux fentes rectangulaires (voir figures 1 et 2).

Figure 1 Représentation des supports de batterie où les vis sont maintenues

Figure 2 Schématique du système de fixation des batteries

Une batterie a donc quatre points d’ancrage liés à la plaque où l’on peut présumer que son poids est répartie uniformément. Les supports n’étant pas modélisés, seuls les efforts au niveau des fentes rectangulaires seront pris en compte, ce qui aura tendance à plier la plaque vers son centre.

De plus, une pression surfacique répartie de façon homogène sur la partie centrale de la plaque a été appliquée dans l’objectif de simuler la charge utile. Cette valeur a été augmentée progressivement afin de vérifier son influence sur la structure, si le drone devait supporter une charge utile importante.

Enfin, la zone d’appui des supports modélisée par un anneau autour du trou de serrage a été empêchée de tout mouvement.

Pour chaque couche, les contraintes suivant les axes naturels du composite ont été déterminées et, après les calculs de la contrainte et de la déformation maximale et l’application des critères de rupture, il a été vérifié que la pièce ne se brisait pas dans les conditions de fonctionnement du drone. En effet, sur ANSYS, le domaine d’intégrité du matériau est normé à 1. Ainsi, pour un critère donné, si la valeur calculée par ANSYS est supérieure à l’unité, le logiciel prédit une rupture du matériau.

Les résultats ont montré que la plaque inférieure telle qu’elle a été conçue ne se brisera qu’à partir d’une charge utile de 22 kg (voir figure 3). Le drone n’a jamais une charge utile supérieure à 3 kg. Même en tenant compte de l’accélération verticale (2 kgF par moteur soit une masse équivalente de 8 kg), la simulation indique que la plaque inférieure, telle qu’elle a été conçue, ne se brisera pas.

Figure 3 Critères de rupture calculés pour chaque incrément de charge utile

Fabrication et tests entrepris

Suite à cette validation, la pièce a été fabriquée (Figure 4a) et l’impression a duré 39 heures. Des tests ont par la suite été menés pour étudier le comportement du châssis comme s’il était soumis à la traction maximale des hélices, ce qui peut arriver lors du décollage. Une comparaison avec le châssis actuel de Dronolab (Figure 4b), dans les mêmes conditions, a aussi été réalisée.

Tout d’abord, l’ancien et le nouveau châssis du drone ont été montés de façon identique. Les bras et les batteries ont été installés (voir figure 5 a, b).

Les drones ont ensuite été disposés dans le vide entre deux supports de même hauteur de manière à ce que les bras ne puissent plus bouger (Figure 5c). Des poids ont été utilisés pour incrémenter une force au centre du châssis afin de simuler une traction des hélices vers le haut. Un palpeur digital a permis la mesure de la déflexion au centre du drone, pour chaque incrément de poids (voir figure 6).

Figure 4 a) Châssis en composite fabriqué par impression 3D, b) châssis original

Figure 5 Incorporation du châssis avec les autres composantes du drone : a) châssis nouveau et b) châssis original, c) montage expérimental

Figure 6 Test de flexion des châssis du drone

Suite à l’analyse des châssis, plusieurs aspects positifs ont été mis en évidence :

• La masse de la structure a été réduite de 25 %. Cette caractéristique va permettre de gagner en autonomie par rapport à la pièce actuellement en service.
• La rigidité en flexion de la pièce fabriquée est similaire à celle de l’ancienne pièce pour des charges inférieurs à 60 N, soit environ 6 kg, ce qui est le cas en tout temps sauf au décollage, étape qui ne dure que quelques secondes.
• Le cycle de production du châssis a été réduit de plusieurs semaines à quelques jours grâce à la réduction du nombre de sous-traitants pour fabriquer la pièce.
• Le châssis étant maintenant monobloc, l’étape longue et laborieuse du montage n’est plus nécessaire.

En revanche, à partir d’une charge supérieure à 60 N, le châssis fabriqué par l’impression 3D est moins rigide que la pièce actuelle, jusqu’à une fois et demi lorsque les quatre moteurs fonctionnent à pleine puissance (environ 80 N).

Les pistes d’amélioration

Pour tenter d’améliorer le comportement du châssis en composite dans les conditions extrêmes, plusieurs solutions peuvent être envisagées :

• Si l’on souhaite conserver le matériau de renfort :

Le remplissage du nylon triangulaire étant de 50 % lors de la fabrication, un remplissage à 100 % permettrait de conférer une rigidité supplémentaire à la structure au prix d’une consommation de nylon supplémentaire de 16 cm³, soit une augmentation de 16 % par rapport à la pièce fabriquée. Il est aussi possible d’augmenter le nombre de couches renforcées ce qui augmentera également la rigidité de la pièce au prix d’une hausse du temps d’impression et de matériel non négligeables, selon le renfort souhaité.

• Si l’on souhaite changer de matériau de renfort :

Le choix de la fibre de verre s’est fait en raison du rapport résistance/prix attractif ainsi que la possibilité d’effectuer un remplissage isotrope. La machine Mark One offre la possibilité d’utiliser des fibres d’aramide et de carbone, qui peuvent constituer des choix très intéressants du fait de leurs caractéristiques mécaniques nettement supérieures au verre (surtout le carbone). Toutefois, les coûts de fabrication seraient inévitablement supérieurs.

Afin de conserver un temps d’impression similaire tout en augmentant les propriétés mécaniques, la solution la plus réaliste s’avérerait être la fabrication du châssis avec le même nombre de couches renforcées, mais cette fois-ci en carbone et avec un remplissage en nylon dense à 100 %.

Nous tenons à mentionner l’appui et l’accueil du club étudiant Dronolab. Merci au capitaine Jonathan Pierrat, et plus particulièrement à Victor Boutitie pour son implication durant ce projet.

La vidéo suivante présente Dronolab-ÉTS :