Leichtbaudrohnen Quadrocopter hievt das vierfache Eigengewicht

Redakteur: Peter Königsreuther

Der Thinking im Januar ehrt zwei Studenten der Hochschule Pforzheim, denn sie haben einem Quadrocopter mehr als die Hälfte seines Gewichts abgenommen. Jetzt trägt er das Vierfache seiner Masse.

Firma zum Thema

Ken Noé (links) und Marc Schulz sind stolz auf ihreLeichtbaudrohne. Jedes Bauteil haben die Absolventen des Bachelorstudiengangs „Maschinenbau/Produktentwicklung“ selbst angefertigt.
Ken Noé (links) und Marc Schulz sind stolz auf ihreLeichtbaudrohne. Jedes Bauteil haben die Absolventen des Bachelorstudiengangs „Maschinenbau/Produktentwicklung“ selbst angefertigt.
(Bild: Leichtbau-BW)

Marc Schulz und Ken Noé bewiesen im Rahmen eines Studienprojekts beharrlichen Tüftlerehrgeiz, um den konsequent auf Leichtbau getrimmten Quadrocopter 60 % leichter zu machen. Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation deshalb mit ihrem ersten Thinking im Jahr 2021.

Das sind die Leistungen auf einen Blick:

Bildergalerie
  • Funktionsintegration: Die Ausleger der Drohne sind in der Grundplatte integriert;
  • 3D-Druck: Aus PLA additiv gefertigt, ist seine Platte nur noch so groß wie nötig;
  • Multi-Effekt-Leichtbau: Der kleinere Akku wiegt ein Drittel weniger als üblich;
  • Durchdachtes Sourcing: Die sorgfältig ausgesuchten Zukaufteile sind auch um rund 30 % leichter.

Gut, wenn man was Gescheites gelernt hat...

„Die erste Drohne war mit einem Gewicht von 1,5 kg viel zu schwer, und deshalb nahezu flugunfähig“, erinnert sich Marc Schulz mit Blick auf die Ausgangslage der Bachelorthesis. Zusammen mit Ken Noé hat er dann in den vergangenen sechs Monaten aus dieser Drohne einen Leichtbau-Quadrocopter gemacht. Die beiden sind Absolventen des Bachelorstudiengangs „Maschinenbau/Produktentwicklung“ und aktuell Studierende des Masterstudiengangs „Mechatronische Systementwicklung“. „Elektronik, Regelungs-, Steuerungs- und Displaytechnik, Softwareentwicklung, Informatik, Platinen-Fertigung, Leichtbau-Konstruktion und additive Fertigung – wirklich ausnahmslos alles, was wir über unser gesamtes Studium gelernt haben, steckt in dieser Entwicklung“, betont Noé begeistert.

Re-Design-Erfolg mithilfe der FEM-Analyse

Zunächst brachte ein Re-Design der Grundplatte den größten Fortschritt bei der Gewichtsreduktion, erklären die beiden. „Bei der ersten Drohne haben wir ganz viel Fläche auf der Grundplatte nicht genutzt“, so Schulz. Die neue Geometrie beschränke sich deshalb nur auf die notwendige Fläche. Und durch eine FEM-Analyse der Grundplatte mit Auslegern wurde deutlich, dass dort, wo die Ausleger in die Platte übergehen, die Bereiche höchster Belastung durch Rundungen und Aussparungen zu stabilisieren sind. Als besonderer Clou gelten die Ausleger, die bereits integraler Bestandteil der Platte sind. So konnte man sich die übliche Schraubverbindung, und damit unnötige Masse, sparen, heißt es weiter. Und: die Montage der Drohne beschleunigt sich aufgrund der wenigen Teile deutlich.

Biokunststoff PLA untersützt den Umweltschutz

Als Material für die 3D-gedruckte Grundplatte des Leichtbau-Quadrocopter wird PLA eingesetzt, ein Biokunststoff namens Polylactid, desse Polymere aus Milchsäure gebildet wird. Wegen des additiven Herstellungsverfahrens kann man in die Platte gleich die notwendigen Kabeldurchführungen und weitere Aussparungen beim Drucken ausbilden. Zusätzliches Gewicht spart der kleinere Akku ein. Sein Anteil an der Gewichtsreduktion wird mit etwa 22 % angegeben und das gilt ebenfalls als beträchtlich in Sachen Leichtbaueffekt. Denn wenn bewegte Massen leichter werden, lässt sich viel Energie einsparen. Das auf Leichtbau fokussiertes Sourcing der Zukaufteile hilft weiter beim Abspecken: So wurden die Füße der Drohne – vorher Blattfedern mit Befestigungen – durch leichte Aluminiumhohlprofile ersetzt, die auch die Deck- mit der Grundplatte verbinden, erklären die Studenten. Die aktuelle Version entspreche nun in Bezug auf die Verbindungstechniken, die Kabelführung und die Lötstellensicherung sowie in puncto Zukaufteile dem neuesten Stand der Technik von Leichtbau-Multicoptern.

Regelungstechnik-Labor für nachfolgende Generationen

Weil die Aufgabenstellung für die Bachelor-Arbeit „Entwicklung eines Multicopter-Prüfstands zur Visualisierung der Höhenregelung“ heißt, hat der leichte Quadrocopter auch Sensoren und Regelungstechnik bereits an Bord. Ebenso zwei Gleitlager, die seine Flugbahn am Prüfstand zwischen zwei Stangen begrenzen. Und hier wird er auf und ab fliegen können, um künftigen Studentengenerationen als Testlabor für regelungstechnische Zusammenhänge zu dienen. So kann etwa die implementierte Höhenregelung demonstrieren, wie sich eine Störung auf die Regelung auswirkt.

Magnetkraft macht ihn zum fliegenden „Lastenesel“

„Das Projekt begann im Bachelorgrundstudium, wurde in einer gemeinsamen Bachelorthesis fortgeführt und kommt nun, wo die beiden parallel zum Masterstudium auch als wissenschaftliche Mitarbeiter der Hochschule tätig sind, sogar zu Lehrzwecken für jüngere Semester zum Einsatz,“ freut sich Professor Peter Heidrich, der die Studierenden innerhalb der vergangenen drei Jahre betreute. Eine weitere wichtige Besonderheit zeichne den Leichtbau-Quadrocopter aus Pforzheim aus, denn momentan besitzt die Drohne mittig an ihrer Unterseite platziert einen Elektromagnet, mit dem kleinere Lasten transportiert und gezielt fallen gelassen werden können. Die Auftriebskraft des nur noch 500 g wiegenden Quadrocopters reiche jedoch aus, um Massen zu heben, die viermal schwerer sind als er selbst, wie gesagt. Um diese maximale Zuladung auszunutzen, müsste jedoch der Elektromagnet durch einen Greifer ersetzt werden.

Ein toller Leichtbauerfolg, doch es könnte noch etwas mehr sein...

Auch nach Abschluss der Arbeiten besteht an dem System noch weiteres Optimierungspotenzial, was den Leichtbaueffekt betrifft, schränken die Spezialisten ein. So könnte man das Material der Grundplatte noch faserverstärkt ausführen, was durch die erhöhte Steifigkeit zu weiteren Material- und damit Gewichtseinsparungen führen dürfte. Auch ließe sich durch ein Überarbeiten der Adapterplatine und den Wegfall der Standardkomponente Arduino Uno weitere Bauteile und damit Gewicht einsparen, meint man. Zusätzlich könne der Funktionsumfang erweitert werden. Auch der Elektromagnet ist noch nicht wirklich optimal. „Wir wollten von Grund auf eine Entwicklung starten und verstehen, mit welchen Schwierigkeiten man in einem Leichtbauprojekt in diversen Disziplinen zu kämpfen hat“, gibt Noé zu seiner seine Motivation kund. Schulz ergänzt: „Die besondere Herausforderung war, das gesamte Wissen aus dem Bachelor-Studium anwenden zu müssen, und zwar disziplinübergreifend. Ein sehr gute Vorbereitung auf das Master-Studium.“ Vielleicht mache das die Faszination des Leichtbau-Engineerings aus: Der multidisziplinäre Denkansatz fordert junge Ingenieure heraus und der Erfolg lässt fliegende Träume wahr werden!Video: Leichtbau leicht erklärt...

(ID:47070686)