近年來，無人駕駛飛機（無人機）在從農業等工業用途，基礎設施檢查和災難調查到娛樂用途的廣泛領域中得到了廣泛的應用。有多種類型的無人機，但主流是具有四個或更多旋翼以控制運動和高度的多旋翼飛機。多直升機機身必須既輕便以增加有效載荷，又必須具有高剛度以支撐推力。

　　盡管結構易于制造，但是必須考慮某些問題，例如由于多個零件的接合而導致重量增加以及由于材料形狀而對車身結構造成的限制。

　　為了實現輕便和功能性，采用三維CFRP成型制造機身非常理想。通過優化材料布置，可以消除一定數量的不必要材料，并且可以使纖維定向以利用相對于載荷的各向異性。

　　通過優化的拓撲結構優化機身結構

　　協作團隊以現有機身為基礎，設計了要分析的上半部的初始形狀。現有的機身設計雖然有邊緣，但他們在考慮到成型件的可加工性的同時，重新設計了光滑，連續的曲面和足夠的拔模角。中心是平坦的，可容納GPS接收器天線。

　　現有的機體由大約1.5毫米厚的ABS樹脂制成，并具有完全封閉的袋狀單體殼結構。因此，將殼用作分析模型，其厚度為2 mm，用于設計范圍計算。由于碳纖維將放置在GPS天線周圍的平坦區域上，因此該區域未包含在設計范圍內。機身由機身的上半部分和下半部分組成，它們通過多個接頭和螺釘連接。通過鏈接螺釘位置元素來模擬緊固狀態。

　　邊界條件和拓撲優化結果構

　　在飛行過程中懸停在空中時，機身會承受各種難以測量或估計的力。在該項目中，作為不使用實際條件的模型案例，該團隊固定了將要附加負載的基座，并為在四個角上施加到手臂尖端的六個不同負載/扭矩變化創建了條件（負載案例），轉子所在的位置。然后，確定在六個不同載荷情況下產生高剛度的形狀。這里提到的分析結果是優化結果，嚴格地針對特定的模型情況，并且不能普遍應用于實際機器。

　　考慮了所有六個載荷工況的優化結果導致形狀完全被相對均勻的網格圖案覆蓋。設置多個邊界條件可能會導致結果具有潛在的高通用性。該分析的結果是有限元網格數據，不能用作CAD數據。因此，根據結果重建了改進的機身形狀

　　制作方法：TFP方法構

　　量身定制的纖維鋪放

　　是用于制造瓶坯的方法之一，

　　其中將一束連續的長碳纖維縫制到基布上。

 

　　RAMPF Composite Solutions解釋了量身定制的光纖放置

　　盡管該方法已在飛機零件等應用中得到實際應用，但在日本幾乎沒有商業化的案例，并且可以通過盡早建立該技術來期待未來的業務發展。在這項研究中，通過使用這種方法根據優化結果布置CF來增強飛機的性能，同時又不失各向異性。

　　由于預成型件是以平面形式制造的，因此必須以這樣的方式設計預成型件，使其在成型后呈現的形狀是平坦且未折疊的，以便在成型過程中可以在模具內重建3D形狀。

為了生產TFP瓶胚，為繡花機創建了數據，定義了放置CF束的路徑。

　　為了連續供應和固定CF，必須在單個行程中跟蹤所有路徑。由于TFP需要配備特殊的繡花機來供應CF，因此生產被外包給擁有合適設備的兩家公司：Tajima Industries和Kajirene。底部使用玻璃纖維布，沿TFP路徑縫制了3毫米寬的CF。CF綁帶通過白色繡花線固定到位。

　　VaRTM CFRP成型構

　　VaRTM是一種樹脂傳遞模塑（RTM）技術，其中使用模具進行塑形，并在液體樹脂的浸漬過程中施加真空壓力抽吸。將預成型件放置在單面鋁模具（機身外表面的凹模）中，并用裝袋材料密封。使用真空抽吸來輔助熱固性樹脂的浸漬，然后將其在高壓釜中固化。個原型由于預成型件的尺寸略大而具有鋸齒狀纖維。為了解決這個問題，在第二個原型的設計階段，通過更改瓶坯中心平面偏離機身表面的值來調整尺寸。

　　個原型存在質量問題，包括樹脂在碳纖維中的浸漬不充分，以及CF束中殘留的空隙和空隙。在真空包裝，浸漬和高壓滅菌過程中，以下策略可解決這些問題：改變玻璃布切割技術；降低樹脂粘度；反轉預成型坯固定在其中的模具側；并改變浸漬技術。

　　結果，浸漬到玻璃布中更好，但是CF束的表面和內部有更多的空隙。

 

　　需要進一步研究以提高模制零件的質量。進行了使飛機飛行并評估其實用性的實驗。一名飛行員測試了機動性。由于轉向時的響應性比ABS樹脂飛機要好，因此結果令人滿意。

　　結合拓撲優化和CFRP材料，有望提供兼具輕量化和高剛性的高性能結構部件。這項研究證實，通過在多旋翼機體上使用TFP預成型件，可以將優化的結構形成為三維CFRP。將來，通過積累瓶坯設計和CFRP成型方法方面的知識，可以期望從航空航天領域開始將其廣泛應用于各種產品。