Сельхоздроны и 3D-печатные запчасти: как сократить простой техники
Сельхоздрон может быть полностью исправен по электронике, двигателям и аккумуляторам, но остаться на земле из-за небольшой сломанной втулки, крышки, крепления или переходника. В середине сезона цена такой поломки определяется уже не стоимостью пластиковой детали, а временем, которое аппарат проведёт без работы.
Именно в таких ситуациях 3D-печать интересна агропредприятиям, сервисным организациям и операторам парков беспилотников. Некоторые комплектующие можно не хранить годами на складе и не ждать от поставщика, а производить по цифровой модели по мере необходимости.
Но здесь есть принципиальная граница. Напечатать геометрически похожую деталь не значит получить полноценную запчасть. Для сельхоздрона нужно учитывать вибрации, массу, температуру, солнечный свет, влагу, контакт с рабочими растворами и последствия возможного отказа.
Поэтому задача звучит не «можно ли напечатать запчасть», а «какую запчасть можно безопасно перевести на 3D-печать и как проверить её перед эксплуатацией».
Почему простой сельхоздрона особенно чувствителен
Агродроны применяются для обработки посевов, внесения удобрений, посева и других операций, непосредственно связанных с работой в поле.
У таких работ есть ограниченные технологические окна. Подходящая погода, состояние растений и график обработки не будут подстраиваться под срок доставки небольшой запасной части.
Если компания использует несколько аппаратов, остановка одного дрона уменьшает доступную производительность всего парка. Если аппарат единственный, поломка может фактически остановить операцию.
Сложности возникают, когда:
- запчасти нет на складе;
- комплектующая поставляется из другого региона или страны;
- модель дрона уже не новая;
- небольшой компонент продаётся только вместе с целым узлом;
- одинаковая деталь регулярно повреждается;
- стандартную запчасть нужно немного изменить под дополнительное оборудование.
Поэтому при оценке ремонта есть смысл считать не только цену детали. Нужно учитывать срок получения запчасти и цену вынужденного простоя.
Сам принцип локального производства запасных частей уже применяется в российском сельском хозяйстве. Например, агрохолдинг «Степь» сообщал о внедрении 3D-печати для дефицитных комплектующих сельхозоборудования после испытаний опытных деталей. Это не пример именно с беспилотниками, но он хорошо показывает производственную модель: сначала выявить проблемную номенклатуру, затем проверить напечатанные изделия и только после этого масштабировать их применение.
Какие запчасти агродрона разумно рассматривать для 3D-печати
Лучшие кандидаты обычно находятся среди пластиковых деталей с понятной функцией и контролируемой нагрузкой.
Например:
- защитные кожухи;
- крышки;
- корпуса электронных модулей;
- держатели проводки и шлангов;
- кронштейны;
- монтажные площадки;
- переходники;
- фиксаторы;
- втулки;
- дистанционные элементы;
- элементы посадочных опор;
- защитные детали периферийных узлов;
- корпуса датчиков;
- монтажная и ремонтная оснастка.
На отдельной странице 3DRoom по 3D-печати деталей для БПЛА и дронов среди возможных изделий также указаны корпуса, крепления, обтекатели, монтажные площадки и другие технические компоненты.
Но принадлежность детали к пластику ещё ничего не гарантирует.
Крышка отсека электроники и силовой элемент, удерживающий двигатель, могут быть изготовлены из полимера, но последствия их отказа совершенно разные.
Где 3D-печать требует особой осторожности
Чем сильнее деталь влияет на безопасность полёта, тем выше требования к расчёту и испытаниям.
Без отдельной инженерной проверки не стоит автоматически заменять печатными аналогами:
- нагруженные элементы рамы;
- крепления двигателей;
- вращающиеся компоненты;
- детали, от которых зависит балансировка;
- элементы, воспринимающие существенные ударные нагрузки;
- ответственные компоненты системы подачи рабочего раствора;
- детали, разрушение которых может привести к падению аппарата.
Это не означает, что аддитивная технология для них исключена. 3D-печать может использоваться при разработке геометрии, изготовлении прототипа или экспериментальной версии.
Но между «деталь напечатана» и «деталь допущена к эксплуатации» должен находиться этап проверки.
Хороший пример такой логики есть у Алтайского государственного аграрного университета. Для ремонтного комплекта агродрона XAG P100 инженерная команда изготовила на 3D-принтере пластиковые прокладки и втулки ступицы из PBT. После изготовления разработчики отдельно планировали испытания деталей в реальных полевых условиях и при максимальных нагрузках.
Это правильная последовательность: изготовление, проверка посадки, испытание и только потом эксплуатационное решение.
Что делать, если 3D-модели запчасти нет
У сервисного центра далеко не всегда есть исходный CAD-файл производителя. Часто в руках остаётся только физическая деталь, иногда уже повреждённая.
В таком случае возможен обратный путь: получить геометрию с существующей детали и на её основе подготовить производственную модель.
Для сложных поверхностей может использоваться 3D-сканирование детали. На стороне 3DRoom эта услуга предполагает получение цифровой модели физического объекта с возможностью последующей корректировки перед производством.
Но копировать сломанную запчасть один в один не всегда правильно.
Представим кронштейн с трещиной около отверстия под крепёж. Если просто снять геометрию и повторить её, новая деталь может получить то же слабое место.
Перед моделированием нужно понять:
- какие поверхности являются посадочными;
- где находятся критичные размеры;
- откуда приходит нагрузка;
- какая часть детали должна быть жёсткой;
- где допустима деформация;
- что стало причиной предыдущего повреждения.
Иногда задача заключается не в копировании детали, а в восстановлении её исходной функции.
Материал для сельхоздрона выбирают по условиям работы
Ошибка, которая часто встречается в 3D-печати, заключается в поиске абстрактно «самого прочного пластика».
Для детали агродрона этого недостаточно.
Нужно учитывать одновременно:
- механическую нагрузку;
- массу;
- вибрации;
- температуру;
- воздействие солнца;
- влагу;
- характер посадок и крепежа;
- необходимость упругой деформации;
- контакт с рабочими растворами.
Последний пункт особенно требует внимания. Химическую совместимость материала с конкретным препаратом нельзя определять по общему названию пластика. Если компонент контактирует со средствами защиты растений или другим рабочим раствором, совместимость необходимо проверять для конкретного материала и среды.
ASA для наружных деталей
ASA интересен для кожухов, крышек и других компонентов, постоянно работающих на открытом воздухе.
Производители материалов выделяют его стойкость к ультрафиолету, влаге и атмосферным воздействиям, поэтому он применяется в наружных изделиях.
На странице 3DRoom по деталям БПЛА ASA также рассматривается для элементов, работающих на открытом воздухе.
PA12 для функциональных компонентов
Для креплений, корпусов, фиксаторов и других технических деталей можно рассматривать полиамид PA12.
Особенно интересен PA12 в сочетании с SLS. В селективном лазерном спекании порошок окружает изготавливаемую деталь, поэтому отдельные поддерживающие структуры не требуются. Это позволяет производить компоненты сложной формы и размещать в рабочем объёме сразу несколько изделий.
На 3droom.pro есть отдельное направление SLS-печати на заказ. PA12 также указан компанией как материал для функциональных деталей БПЛА сложной геометрии.
PA-CF для жёстких технических деталей
Армированный углеродным волокном полиамид интересен там, где нужно сочетать небольшую массу и высокую жёсткость.
Но надпись «Carbon» или наличие углеродного наполнителя ещё не превращает любую конструкцию в силовую авиационную деталь.
Итоговые свойства зависят от:
- конкретной марки материала;
- технологии изготовления;
- геометрии;
- толщины стенок;
- направления нагрузок;
- конструкции креплений.
Поэтому материал выбирают одновременно с проектированием изделия.
PETG для вспомогательных задач
PETG может использоваться для различных корпусов, защитных и монтажных деталей, прототипов и менее ответственных компонентов.
Его преимущество часто не в максимальных характеристиках, а в удобстве быстрого изготовления функционального изделия.
Если же запчасть длительно находится под солнцем, испытывает повышенную температуру или значительную нагрузку, материал стоит подбирать под конкретный сценарий, а не использовать PETG автоматически.
FDM или SLS: что выбрать для запчастей сельхоздрона
Обе технологии могут решать практические ремонтные задачи, но подходят к ним по-разному.
Выбор технологии не должен начинаться с вопроса «что дешевле напечатать».
Сначала определяется функция детали, затем требования, материал и только после этого способ производства.
Вместо склада запчастей можно создать цифровой склад
Для одного сломанного дрона 3D-печать решает разовую ремонтную задачу.
Для компании, эксплуатирующей или обслуживающей парк агродронов, интереснее другой сценарий.
Представим сервисный центр, который работает с несколькими десятками аппаратов. Через некоторое время становится понятно, какие пластиковые элементы повреждаются регулярно, какие приходится долго заказывать и какие удобно менять прямо во время обслуживания.
Дальше можно постепенно создавать библиотеку проверенных моделей.
Процесс выглядит так:
- Выявить регулярно требующиеся запчасти.
- Разделить их на критические и некритические.
- Получить исходные CAD-модели либо восстановить геометрию.
- Подобрать материал и технологию.
- Изготовить опытный комплект.
- Проверить сборку и посадочные размеры.
- Провести эксплуатационные испытания там, где они нужны.
- Зафиксировать утверждённую версию модели.
- Изготавливать следующие партии уже из проверенного файла.
На физическом складе при этом можно держать только наиболее критичные позиции. Остальная часть номенклатуры существует как цифровой запас и производится по потребности.
Для сервисного бизнеса это уже не просто 3D-печать. Это новая организация снабжения.
Когда имеет смысл напечатать одну запчасть, а когда сразу партию
Основное преимущество аддитивного производства при малом количестве изделий в том, что не требуется отдельная пресс-форма для каждой новой геометрии.
Это удобно, если:
- нужна одна запчасть;
- конструкция ещё дорабатывается;
- требуется несколько вариантов для испытаний;
- спрос на деталь нерегулярен;
- необходимо быстро проверить замену оригинального компонента.
Если же одна и та же запчасть нужна постоянно, экономика меняется.
Например, сервисная организация выяснила, что определённый защитный корпус требуется десятками или сотнями экземпляров в сезон. Геометрия уже проверена и менять её не планируют.
На этом этапе полезно сравнить несколько вариантов производства, а не автоматически продолжать печатать.
Для крупного повторяемого выпуска можно оценить литьё пластмасс под давлением. 3DRoom позиционирует эту технологию для серийного изготовления пластиковых деталей и может объединять этап прототипирования с последующим переходом к литью.
Получается логичная производственная цепочка:
одна деталь -> испытания -> малая партия -> накопление статистики -> стабильная серия.
Переход на следующую технологию имеет смысл только тогда, когда это оправдано количеством, требованиями к повторяемости и экономикой проекта.
Какие детали лучше не печатать только потому, что это технически возможно
3D-принтер способен изготовить геометрию очень сложного компонента. Но технологическая возможность производства ещё не говорит о пригодности изделия для полёта.
Особенно осторожно нужно относиться к детали, если:
- неизвестна рабочая нагрузка;
- повреждение может привести к аварии;
- есть интенсивная циклическая нагрузка;
- требуется точная балансировка;
- невозможно проверить свойства исходной запчасти;
- неизвестна совместимость с рабочей химией;
- ресурс изделия критичен для безопасности.
В этих случаях разумнее сначала провести инженерную оценку.
Иногда вывод будет таким: печатать можно.
Иногда потребуется изменить материал или конструкцию.
А иногда оригинальная технология производства окажется единственно разумным вариантом.
Цель не в том, чтобы заменить 3D-печатью максимальное количество деталей. Цель в том, чтобы сократить время и стоимость обслуживания там, где это действительно оправдано.
Что нужно передать производителю запчасти
Чем лучше описана задача, тем меньше риск получить красивую деталь, которая не выдержит эксплуатации.
Для расчёта желательно подготовить:
- 3D-модель, если она сохранилась;
- чертёж или эскиз;
- физический образец;
- фотографии места установки;
- назначение компонента;
- описание нагрузок;
- условия эксплуатации;
- информацию о контакте с жидкостями и рабочими растворами;
- критичные размеры;
- способ крепления;
- необходимое количество;
- требования к массе.
Если деталь повреждена, полезно также сообщить, как именно произошла поломка. Трещина после удара и трещина, постепенно появившаяся от постоянной вибрации, требуют разного подхода.
3DRoom работает с изготовлением компонентов для БПЛА по модели, чертежу или техническому заданию, а для проектов, где требуется конфиденциальность, на профильной странице компании указана возможность работы по NDA.
Главная ценность 3D-печати для агродронов не в самом принтере
Если рассматривать аддитивное производство только как возможность быстро получить пластиковую копию сломанной запчасти, его потенциал используется частично.
Для агропредприятия или сервисной организации интереснее выстроить процесс:
найти проблемную номенклатуру, восстановить модели, проверить материалы, провести необходимые испытания и сохранить утверждённые версии деталей в цифровом виде.
Тогда поломка небольшой пластиковой детали перестаёт автоматически означать поиск поставщика и ожидание доставки.
Но такая схема работает только с инженерной дисциплиной. Некритичную крышку можно оценивать одним способом, силовую деталь летающего аппарата совсем другим.
Если требуется понять, можно ли изготовить конкретную запчасть сельхоздрона по 3D-модели, чертежу или физическому образцу, какой материал использовать и стоит ли печатать одну деталь или партию, можно передать исходные данные специалистам 3DRoom и заказать расчёт.
