DOI: https://doi.org/10.37129/2313-7509.2024.22.8
УДК 623.735
С. О. Нікул1, канд. техн. наук., доц. https://orcid.org/0000-0003-4768-0448
В. В. Купельський2, PhD https://orcid.org/0000-0002-7661-1356
І. М. Кушнер2 https://orcid.org/0009-0004-3038-3871
1Військова академія (м. Одеса), Україна
2Національна академія Державної прикордонної служби України
імені Богдана Хмельницького, м. Хмельницький, Україна
АКТУАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ МЕТОДІВ КОНТРОЛЮ
3D ДРУКУ ВИРОБІВ БЕЗПІЛОТНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ
Сьогодні вже цілком очевидно, що освоєння адитивних технологій зумовлює коригування принципів конструювання безпілотних літальних апаратів (далі – БпЛА), відпрацювання технологій друку, використання нових стратегій побудови та створення банку запасних частин та елементів. Тому оцінка контролю виробів, які надруковані на 3D-принтерах є важливим елементом сучасних БпЛА, особливо при підборі комплектуючих.
Система ремонту БпЛА в польових умовах повинна забезпечити повне охоплення всіх несправних зразків, високі показники якості надійності відремонтованої техніки, відновлення їх працездатності в задані оперативно-тактичні терміни.
Втрати бойового потенціалу можна відновлювати звичайно не тільки за допомогою ремонту, але і за рахунок отримання нових зразків замість тих, що виходять з ладу. Однак ефективність цього напрямку відновлення бойового потенціалу військ не рівнозначна.
Швидкий і якісний ремонт БпЛА в польових умовах буде визначальним в сучасному бою. Таким чином, контроль якості надрукованих виробів в польових умовах буде основним критерієм при визначенні ступеня готовності БпЛА до застосування за призначенням, після ремонту в польових умовах.
У статті розглянуті проблеми методів контролю 3D друку виробів БпЛА. Показано, що зниження ймовірності людської помилки дуже важливе для забезпечення якості деталей, надрукованих на 3D-nринтері. Встановлено, що цифровий контроль за допомогою 3D-сканування дозволяє у польових умовах створювати внутрішні, повторювані та точні робочі процеси перевірки для всіх деталей БпЛА.
Основне завдання 3D-сканування, яке допоможе оптимізувати якість 3D друку – це контроль геометрії з метою звіряння з еталонною моделлю. Використання 3D-сканерів дає можливість оперативно відстежувати брак надрукованих деталей та отримати звіт щодо відхилень від заявленої геометрії з еталонною CAD-моделлю та надати звіт.
Адитивні технології (АТ) надають можливість отримати елементи БпЛА визначеної форми та необхідних розмірів, навіть в польових умовах, що суттєво впливає на підвищення живучості БпЛА. Використання АТ надає змогу суттєво зменшити час на відновлення елементів БпЛА, а також скорочення витрат матеріалу. Ще одна важлива перевага АТ – відносно швидке виготовлення елементів БпЛА з дуже якісними показниками.
Ключові слова: адитивні технології; БпЛА; безпілотні системи; ремонт; 3D друк.
Постановка проблеми
На сьогоднішній день постає нагальна потреба в оснащенні ЗС України сучасними комплексами озброєння та військової техніки, що забезпечить живучість підрозділу та ефективне виконання ним поставлених завдань. Пріоритетним та актуальним напрямком при цьому є оснащення підрозділів БпЛА різного типу.
Передові технології адитивного виробництва (3D друку) відкривають для БпЛА перспективні можливості. Виробництво будь-яких деталей БпЛА, ремонт та друк в польових умовах з використанням адитивних технологій показало, що застосування АТ дозволяє швидко створювати високотехнологічні зразки, за відносно невеликі терміни та кошти.
Аналіз аварій і поломок на зразках БпЛА показує, що їх причиною досить часто є тріщино подібні дефекти, які отримали розвиток в процесі їх експлуатації. Проведені дослідження показали, що з кожних 100 одиниць БпЛА, які вибувають з ладу в середньому 70 одиниць вимагають для свого відновлення в 15-20 разів менше зусиль, ніж виготовлення нових.
Очевидно, що використання адитивних технологій для друку та ремонту БпЛА буде неухильно розширюватися. Тому необхідно провести змістовний аналіз можливостей методів контролю надрукованих виробів.
Друк деталей на 3D-принтері дозволяє не лише друкувати безпосередньо самі безпілотні літальні апарати, а й створювати практично нескінченний резерв запасних елементів для них, що підвищує ефективність тренування оператора та зменшує терміни ремонту. Крім того, надрукований БпЛА буде простіше відновлювати.
Людська помилка, можливо, є найбільшим фактором ризику при друкуванні елементів для БпЛА. Це пов'язано з тим, що 3D друк, як і раніше вимагає більшого втручання людини, ніж можна очікувати, від проектування до постобробки необхідного виробу. Це вимагає постійної ручної перевірки виконання вимог на кожному етапі.
Такий рівень втручання, особливо в бойових умовах, неминуче збільшує ризик виходу з ладу надрукованих виробів для БпЛА.
Зниження ймовірності людської помилки дуже важливе для забезпечення якості деталей, надрукованих на 3D-принтері. Тому аналіз способів зменшення дефектів та втрат матеріалу, контроль 3D друку та надрукованих виробів є дуже актуальним.
Аналіз останніх досліджень і публікацій
На даний момент немає методики перевірки точності 3Д-принтерів, що представляє суттєву прогалину в освоєнні адитивних технологій. Для високоякісної продукції, яка використовується для друку БпЛА, у процесі друку потрібно отримувати високу точність і механічні властивості для використання і функціонування деталі або БпЛа в цілому у бойових умовах [4], [6], [7].
Однак, хоча 3D друк, безумовно, змінив спосіб виготовлення елементів БпЛА і пропонує чудову універсальність, питання контролю та контролю якості надрукованих виробів, проте, залишаються невирішеними. Дуже складно в бойових умовах проводити контроль якості надрукованих виробів зі складною формою, відповідність виробу оригінальним проектним завданням, забезпечення відповідності 3D-друкованої деталі всім необхідним стандартам [1] – [3].
Усі традиційні виробничі процеси вже, як правило, включають вбудований контроль якості. Але досі немає загальноприйнятих процесів контролю якості саме при 3D друці виробів для БпЛА. Міжнародні стандартизаційні установи досі працюють над загальним набором основних принципів контролю, але остаточні стандарти ще не скоро будуть прийняті.
Мета статті полягає в оцінці основних дефектів друку в польових умовах і аналіз способів виявлення їх за допомогою контролю якості, адже при проведенні 3D друку в польових умовах особливе значення має завдання виявлення проблем контролю 3D друку
Виклад основного матеріалу дослідження
Контроль якості 3D друку в польових умовах відрізняється складністю з кількох причин:
- необхідність використання портативної апаратури;
- залежність від погодних умов та інших складнощів роботи в бойових умовах;
- унікальний характер всіх без винятку операцій.
Контроль друку можна проводити під час самого 3D друку, з метою виявлення неточності або невідповідності виробу. Це надає можливість коригувати виробництво друку або навіть зупинити його. Також доцільно проводити перевірку вже надрукованих деталей на відповідність до еталонної моделі.
Відмови під час друку виробів БпЛА дуже часто спостерігаються вже тільки після завершення збирання БпЛА. Це може приводити до браку деталі через неточності розмірів або відсутності необхідних механічних характеристик. Рішенням для підвищення точності і надійності виробничої технології є інтеграція датчиків для відстеження та контролю процесу в режимі онлайн. Таким чином, помилки можуть бути швидко виявлені і, можливо, компенсовані на ранній стадії.
Онлайн-контроль є важливим фактором скорочення кількості відмов під час виробництва, що також сприяє оптимізації процесу і якості окремих виробів БпЛА. Отже, найбільш ймовірно, що наступною тенденцією при 3D друці БпЛА буде інтеграція спеціальних датчиків, здатних відстежувати стан процесу і повідомляти про можливі помилки операторам мобільних лабораторій 3D друку для виправлення процесу друку.
Останнім часом були проведені дослідження по контролю за процесом 3D друку з використанням систем технічного зору (інфрачервоної камери або 3D-датчиків). Системи моніторингу на основі камер також вже широко використовуються саме при 3D друці виробів для летальних апаратів.
Впровадження системи контролю 3D друку із зворотним зв’язком є складним та витратним і дуже важко буде застосовувати саме при друці у польових умовах. Також навіть найкращі системи онлайн-моніторингу не можуть виявити всіх дефектів та передбачити неточності для готової деталі. Тож необхідно постійно проводити контроль вже надрукованих деталей.
Контроль якості надрукованих деталей БпЛА можна проводити різними методами. Наприклад, одним з способів контролю, перевагами якого є простота та відсутність необхідності у використанні дорогого обладнання, є розмірний аналіз, який проводиться вручну за допомогою різних контрольно-вимірювальних приладів, таких як штангенциркуль, мікрометр, вимірювальні головки, лінійки тощо. На жаль, при великій кількості деталей такий метод буде займати дуже багато часу для кожної окремої деталі. Ще одним недоліком використання цього методу є його неефективність для деталей складної конструкції.
У випадку, коли підрозділ друкує велику кількість однакових деталей, для перевірки на точність необхідно провести виміри та скласти таблицю розмірів для кожної з них. Виходить, що на перевірку однієї деталі може витрачатися навіть цілий день. Але цього можна позбутися завдяки 3D-скануванню. Для першої з деталей виконуються такі дії: сканування, підготовка до аналізу і безпосередньо сам аналіз. Для наступних же деталей вручну виконується лише сканування, а інші етапи контролю виконує програмне забезпечення. Таким чином, витрачається час лише на оцифрування, а при контролі геометрії це зазвичай від 5 до 15% витраченого часу.
Застосування 3D-сканування у 3D друці дає змогу швидше перевірити якість. Дослідження показують, що питання якості контролюються залежно від процесу, який використовується при 3D друці, кількості копій, виготовлених за один виробничий цикл, тощо. Наприклад, викривлення є проблемою для виробів з витягнутими горизонтальними прямокутними формами, але не так сильно для вертикальних форм. Таке викривлення зазвичай не виявляється в друкованій першій частині, але трапляється, коли принтер використовується тривалий час. Такі питання непросто передбачити. Причиною можливого відхилення від норми можуть бути різні: виробництво та модель 3D-принтера; матеріал, який використовується; конкретний спосіб 3D друку; тривалість виробничого циклу.
Основне завдання 3D-сканування, яке допоможе оптимізувати якість 3D друку - це контроль геометрії з метою звіряння з еталонною моделлю. Використання 3D-сканерів дає можливість оперативно відстежувати брак надрукованих деталей та отримати звіт щодо відхилень від заявленої геометрії з еталонною CAD-моделлю та надати звіт.
3D-сканер та програмне забезпечення зможуть проводити автоматизацію вимірювань на конвеєрному виробництві виробів для БпЛА, контроль технологічного оснащення, вимірювання зносу деталей у процесі експлуатації, скорочення часу на проведення контролю якості, зниження відсотка браку при друці.
На даний момент цифровий контроль за допомогою 3D-сканування дозволяє також у польових умовах створювати внутрішні, повторювані та точні робочі процеси перевірки для всіх деталей БпЛА. Сукупність даних, зібраних за допомогою 3D-сканування, буде вкрай необхідною для створення алгоритмів глибокого навчання із штучним інтелектом, необхідних для перенесення якості контролю у виробництві елементів БпЛА на наступний рівень.
Результат проведення 3D-сканування відновленої деталі хвостового оперення БпЛА літакового типу з метою фіксації якості її відновлення у вигляді звіту про порушення симетричності геометрії представлений на рис.1.
Рисунок 1 – 3D-сканування деталі хвостового оперення БпЛА літакового типу
з метою фіксації якості її відновлення
Принцип контролю геометрії за допомогою 3D-сканування не складний. Після закінчення сканування деталі формується CAD-модель скану. Після цього в одне вікно програми завантажується CAD номінальної моделі і у це ж вікно завантажується CAD відсканованої моделі. В першу чергу необхідно вирівняти в осях координат скан моделі для того, щоб програма могла порівняти одну деталь відносно іншої.
Результат контролю відхилень геометрії хвостового оперення БпЛА самольотного типу:
час аналізу відхилень: 3 години
результат роботи: звіт контролю симетричності відхилень
максимальне відхилення: 12 мм
Залежно від відповідальності і якості деталі БпЛА для неї можна обчислити коефіцієнт ознаки якості γα.
(1)
= 
(2)
де Pi, Po – абсолютні значення реального і ідеального показника, n –кількість показників даної ознаки.
Ознак якості і, відповідно, коефіцієнтів γ може бути багато. Наприклад, наявність і розміри внутрішніх дефектів γд; зовнішні дефекти, форма з'єднання γф; рівність залишкових напруг γн і т.п. У межах кожної ознаки може бути n конкретних показників, наприклад, у деталі багато дефектів різного розміру, розташування, вигинання і т.п. Маючи в своєму розпорядженні таку інформацію, для кожного виробу або всього БпЛА в цілому можна обчислити показник якості
(3)
де N – число ознак, кожен з яких має усереднений коефіцієнт γα і певну значимість β (вагомість) у визначенні якості даного виробу.
Завжди γα <1, γ <1 і β <1. Рівність одиниці рівнозначно ідеальній якості. При такому підході до оцінки якості в межах кожної категорії будь-якого виробу може бути дана цифрова оцінка.
Висновки
Таким чином, можна зробити висновок, що 3D-сканування при оцінці якості виробу БпЛА має такі переваги: простота, доступність, інформативність, малобюджетнісь, непорушність об'єкта обстеження і можливість неодноразового огляду.
Але при використанні метода 3D-сканування необхідно розуміти, що він залежить від багатьох факторів, які забезпечують якість його проведення. До них відносяться, наприклад: вибір моделі з технічними характеристиками, що мають, відповідні обстеження, калібрування і налаштування пристрою, а також досвід і кваліфікація фахівця, який експлуатує прилад.
Перспективи подальших досліджень
Виявлені в статті проблеми і особливості контролю якості виробів в польових умовах доцільно враховувати в процесі розробки експлуатаційної, нормативно-технічної документації і навчання персоналу.
Список бібліографічних посилань
1. Війна дронів: як Україна впроваджує ударні безпілотники. URL: https://mind.ua/openmind/20196145-vijna-droniv-yak-ukrayna-vporovadzhue-udarnybezpilotniki (дата звернення: 08.03.2023).
2. Бачинський В.В., Шкурпіт О.М. Підбір матеріалу для виготовлення елементів безпілотних літальних апаратів за адитивними технологіями. Збірник наукових праць Житомирського Військового інституту. – Житомир: 2022. Вип. 22. – С.90-98 https://doi.org/10.46972/2076-1546.2022.22.08
3. Бачинський В.В., Шкурпіт О.М. Технологія створення елементів безпілотних літальних апаратів за адитивними технологіями. Збірник наукових праць Військового академії (м.Одеса). – Одеса : 2022. Вип. 2(18). C. 90–96. https://doi.org/10.37129/2313-7509.2022.18.90-96
4. Волков А.Ф., Лезік О.В., Корсунов С.І., Левагін Г.А., Яновський О.В., Івахненко К.В. Аналіз застосування БпЛА у вірмено-азербайджанському воєнному конфлікті та можливі шляхи боротьби з ними. Науково-технічний журнал Системи озброєння і військова техніка Харківського Національного університету Повітряних Сил. – Харків : 2020. Вип. 4(64). С.7–17. https://doi.org/10.30748/soivt.2020.64.01.
5. Нова технологія змусить безпілотні дрони літати довше: інженер розкрив секрет. URL: https://focus.ua/uk/digital/539262-novaya-tehnologiya-zastaviti-bespilotnye-drony-letat-dolshe-inzhener-raskryl-sekret (дата звернення: 28.02.2023).
6. Кучеренеко Ю.Ф., Науменко М.В., Кузнецова М.Ю. Аналіз досвіду застосування безпілотних літальних апаратів та визначення напрямку їх подальшого розвитку при веденні мережецентричних операцій. Науково-технічний журнал Системи озброєння і військова техніка Харківського Національного університету Повітряних Сил. – Харків : 2018. Вип. 1(53). С.25–30. https:// DOI:10.30748/soivt.2018.53.03
7. Ткачов В.М., Мітін Д.Є., Дух Я.В. Підвищення живучості мережної складової рою БПЛА. Матеріали XІ Всеукраїнської науково практичної WEB конференції аспірантів, студентів та молодих вчених Криворізький національний університет. – Кривий Ріг : 2018. С. 98–100. https://openarchive.nure.ua/items/54796ba4-1ec6-4f41-9149-06bb5ae44f6e
References
1. Drone war: how Ukraine is introducing attack drones. (n.d.). Retrieved from https://mind.ua/openmind/20196145-vijna-droniv-yak-ukrayna-vporovadzhue-udarnybezpilotniki (last accessed: 08.03.2023) [in Ukrainian].
2. Bachinskyi, V. V., Shkurpit, O. M., (2022). Selection of material for the manufacture of elements of unmanned aerial vehicles using additive technologies. Collection of scientific works of Zhytomyr Military Institute, no.22, pp. 90-98. https://doi.org/10.46972/2076-1546.2022.22.08 [in Ukrainian].
3. Bachinskyi, V. V., Shkurpit, O. M., (2022). The technology of creating elements of unmanned aerial vehicles using additive technologies. Collection of scientific works of Odesa Military Academy, no.2 (18), pp. 90-96. https://doi.org/10.37129/2313-7509.2022.18.90-96 [in Ukrainian].
4. Volkov, A. F., Lezik, O. V., Korsunov, S. I., Levagin, G. A., Yankovvskyi, O.V., Ivakhnenko, K.V. (2020). Analysis of the use of UAVs in the Armenian-Azerbaijani military conflict and possible ways of combating them. Scientific and technical magazine Weapon systems and military equipment of the Kharkiv National University of the Air Force., no.4 (64), pp. 7-17. https://doi.org/10.30748/soivt.2020.64.01. [in Ukrainian].
5. New technology will make unmanned drones fly longer: an engineer revealed the secret. (n.d.). Retrieved from https://focus.ua/uk/digital/539262-novaya-tehnologiya-zastaviti-bespilotnye-drony-letat-dolshe-inzhener-raskryl-sekret (last accessed: 28.02.2023) [in Ukrainian].
6. Kucherenko, Y. F., Naumenko, M. V., Kuznetsova, M. Y. (2018). Analysis of the experience of using unmanned aerial vehicles and determining the direction of their further development in conducting network-centric operations. Scientific and technical magazine Weapon systems and military equipment of the Kharkiv National University of the Air Force., no.1 (53), pp. 25–30. https:// DOI:10.30748/soivt.2018.53.03. [in Ukrainian].
7. Tkachov, V. M., Mitin, D. I., Dukh, Y. V. (2018). Increasing the survivability of the network component of the UAV swarm. Materials of the 11th All-Ukrainian scientific and practical WEB conference of graduate students, students and young scientists Kryvyi Rih National University, pp. 98–100. https:// https://openarchive.nure.ua/items/54796ba4-1ec6-4f41-9149-06bb5ae44f6e [in Ukrainian].
Стаття надійшла до редакції 10.12.2025
CURRENT ISSUES IN 3D PRINTING CONTROL METHODS FOR UNMANNED
AERIAL VEHICLES PRODUCTS
S. Nikul, V. Kupelskyi, I. Kushner
Today, it is already quite clear that the adoption of additive technologies necessitates adjustments to the design principles of unmanned aerial vehicles (UAV), the development of printing technologies, the use of new construction strategies, and the creation of a stock of spare parts and components. Therefore, the assessment of the quality control of products printed on 3D printers is an important element of modern UAV, especially when selecting components.
The UAVs repair system in field conditions must ensure complete coverage of all faulty samples, high reliability quality indicators of the repaired equipment, and the restoration of their operational capability within specified operational-tactical timelines.
Losses in combat potential can typically be restored not only through repairs but also by acquiring new samples to replace those that have failed. However, the effectiveness of this approach to restoring the combat potential of the troops is not equivalent.
Rapid and high-quality repair of UAVs in field conditions will be decisive in modern combat. Thus, quality control of printed products in field conditions will be the main criterion for determining the readiness of UAVs for operational use after repairs in the field.
The article discusses the issues related to the methods of controlling 3D printing of UAV products. It is shown that reducing the likelihood of human error is very important for ensuring the quality of parts printed on a 3D printer. It has been established that digital control through 3D scanning allows for the creation of internal, repeatable, and precise verification workflows for all UAV parts in field conditions.
The main task of 3D scanning, which will help optimize the quality of 3D printing, is to control geometry for comparison with a reference model. The use of 3D scanners enables the rapid tracking of defects in printed parts and provides a report on deviations from the declared geometry compared to the reference CAD model.
Additive technologies (AT) provide the opportunity to produce UAV components of a specified shape and necessary sizes, even in field conditions, which significantly enhances the survivability of UAVs. The use of AT allows for a substantial reduction in the time required to restore UAV components, as well as a decrease in material costs. Another important advantage of AT is the relatively rapid manufacturing of UAV components with very high quality indicators.
Keywords: additive technologies; UAV; unmanned systems; repair; 3D printing.
|
Відомості про авторів: |
Information about the authors: |
|
Нікул Станіслав Олексійович кандидат технічних наук, доцент начальник факультету Військової академії (м. Одеса), Одеса, Україна https://orcid.org/0000-0003-4768-0448
|
Stanislav Nikul PhD in Technical Sciences, Assosiate Professor Head of the Faculty of the Military Academy (Odesa) Odesa, Ukraine https://orcid.org/0000-0003-4768-0448
|
|
Купельський Віктор Валерійович доктор філософії з безпеки державного кордону, доцент кафедри Національної академії Державної прикордонної служби України імені Богдана Хмельницького, м. Хмельницький, Україна |
Viktor Kupelskyi PhD in State Border Security, Associate Professor of the Department Bohdan Khmelnytskyi National Academy of the State Border Guard Service of Ukraine Khmelnytskyi, Ukraine https://orcid.org/0000-0002-7661-1356 |
|
Кушнер Ігор Михайлович старший викладач кафедри Національної академії Державної прикордонної служби України імені Богдана Хмельницького, м. Хмельницький, Україна https://orcid.org/0009-0004-3038-3871 |
Ihor Kushner Senior Lecturer of the Department Bohdan Khmelnytskyi National Academy of the State Border Guard Service of Ukraine Khmelnytskyi, Ukraine https://orcid.org/0009-0004-3038-3871 |