ÆRVIA - ResQFly Technische Dokumentation

ResQFly

TECHNISCHE DOKUMENTATION

ÆRVIA | Version: V4.0 (System)

Zweck: Detaillierte Darstellung der iterativen Design- und Fertigungsprozesse aller 3D-gedruckten Komponenten zur Nachverfolgung von Entwicklungsentscheidungen, Problemen und Verbesserungen.

SYSTEMÜBERSICHT

GESAMTSYSTEM

Das ResQFly-System ist konzipiert für den On-Demand-Transport von Medikamenten und Notfallausrüstung an schwer zugängliche Orte. Dies wird durch die Integration in verschiedene Drohnentypen realisiert.

PROJEKTZIEL

Automatisierte Lieferung von Medikamenten und Notfallausrüstung in unwegsames Gelände mittels Drohnenintegration.

TECHNISCHE KERNDATEN (Beispiel Haken V4)

  • Max. Traglast (simuliert): 6kg
  • Material (empfohlen): ASA-CF Verbund
  • Betriebstemperatur (Material): -20°C bis 50°C
  • Rein mechanisches Design (keine Elektronik)
ResQFly System Rendering

▲ ABBILDUNG 1: RENDERING DES RESQFLY-SYSTEMS ▲

ResQFly an Drohne montiert

▲ ABBILDUNG 2: RESQFLY-SYSTEM AN EINER DROHNE MONTIERT ▲

KOMPONENTENANALYSE

2.1 HAKENMECHANISMUS

FUNKTION UND ZIELSETZUNG

  • Funktion: Dient als automatisches Befestigungs- und Lösesystem. Eine Feder hält den Haken offen, bis eine Last eingehängt wird, wodurch er sich schließt. Automatisches Öffnen beim Absetzen der Last.
  • Zielsetzung: Sichere und zuverlässige Befestigung, einfaches Design ohne elektronische Komponenten.

ITERATIVE VERSIONEN DES HAKENMECHANISMUS

VERSION 1.0 – KONZEPTPHASE
Beschreibung

Erste CAD-Skizzen, in denen ein federunterstützter Haken entworfen wurde.

Fertigungsprozess
  • Erstellung des ersten 3D-Modells, Inspiration durch bestehende Designs.
  • 3D-Druck als erster Prototyp (mit Standardmaterial wie PLA).
  • Erstes Design mit Schrauben als Gelenkkomponenten.
Probleme
  • Abstand zwischen Schließstift und Haken zu gering.
  • Schwachstellen an den Schraubenlöchern.
Vorteile
  • Konzeptvisualisierung.
  • Test der Grundfunktionalität und Bestimmung notwendiger Spaltmaße.
Ideen/Verbesserungen
  • Korrektur des Lochabstands der Seitenplatten, um notwendige Spaltmaße zu ermöglichen.
Teilweise gedruckter Prototyp Haken V1

▲ ABBILDUNG 3: TEILWEISE GEDRUCKTER PROTOTYP V1 ▲

VERSION 2.0 – PROTOTYPING-PHASE
Beschreibung

Überarbeitung der Seitenplatten basierend auf den Ergebnissen der Konzeptphase.

Fertigungsprozess
  • Lochabstand der Seitenplatten um 2mm vergrößert.
  • Flache Oberfläche am Schließstift für reibungslose Bewegung entlang des Hakens hinzugefügt.
Probleme
  • Mechanische Belastbarkeit des Hakenmechanismus noch unbekannt.
  • Hohes Gewicht und Komplexität durch Verwendung von Schrauben.
Vorteile
  • Erster Belastungstest erfolgreich abgeschlossen.
  • Verbesserte Spaltmaße.
Ideen/Verbesserungen
  • Planung einer vollständig 3D-druckbaren Version mit Kugelgelenken.
Teilweise gedruckter Prototyp Haken V2

▲ ABBILDUNG 4: TEILWEISE GEDRUCKTER PROTOTYP V2 ▲

VERSION 3.0 – PROTOTYPING-PHASE
Beschreibung

Erstellung einer vollständig 3D-druckbaren Version.

Fertigungsprozess
  • Ersetzung der Schraubenlöcher durch Kugelgelenke.
  • Umlaufende Seitenplatten.
Probleme
  • Geringere Belastbarkeit im Vergleich zu verschraubten Versionen.
  • Feder muss immer noch manuell hinzugefügt werden.
Vorteile
  • Herstellung in einem Druckvorgang möglich (Print-in-Place).
  • Verbesserte Spaltmaße.
Ideen/Verbesserungen
  • Verstärkung hochbeanspruchter Bereiche durch Lastsimulation.
Prototyp Haken V3 (Platzhalter)

▲ PROTOTYP HAKEN V3 (PLATZHALTER) ▲

VERSION 4.0 – OPTIMIERUNGSPHASE
Beschreibung

Minimierung von Schwachstellen des Modells basierend auf einer Spannungsanalyse mit einer angenommenen Last von 6 kg.

Simulationsergebnisse (Vorher)
Spannungsanalyse Haken V4 vor Verbesserung

▲ ABBILDUNG 5: SPANNUNGSANALYSE DES HAKENS (VOR VERBESSERUNG) ▲

Die gelben Markierungen visualisieren Teile, bei denen der Sicherheitsfaktor zwischen eins und drei liegt. Teile, bei denen der Faktor nahe eins liegt, sind besonders verformungsgefährdet. Ein Sicherheitsfaktor von eins bedeutet, dass das Material die maximale Spannung erfährt, die es ohne bleibende Verformung aushalten kann (Erreichen der Streckgrenze). Um dies zu beheben, wurde Material hinzugefügt, um die Stabilität in diesen Bereichen zu erhöhen.

Verbesserte Version (Nachher)
Spannungsanalyse Haken V4 nach Verbesserung

▲ ABBILDUNG 6: SPANNUNGSANALYSE DES HAKENS (NACH VERBESSERUNG) ▲

Die Stellen mit einem Sicherheitsfaktor unter 3 sind fast verschwunden. Jetzt liegt alles über 2,5. Diese Verbesserung stellt sicher, dass alle Teile nun einen ausreichenden Sicherheitsspielraum gegen Verformung unter den erwarteten Lasten haben.

Ideen/Verbesserungen
  • Ersetzung der Metallfeder durch eine gedruckte Elastomerfeder (-> erfordert Multi-Material-Drucker).
  • Ersetzung von PLA durch ASA-CF (kohlefaserverstärktes Filament) für signifikant höhere Festigkeit.

2.2 VERBINDUNGSELEMENTE (DRONE PLATFORM CONNECTION)

FUNKTION UND ZIELSETZUNG

  • Funktion: Sichert den Hakenmechanismus an der Drohnenplattform. Entwickelt, um robust, flexibel und kompatibel mit verschiedenen Drohnenmodellen zu sein.
  • Zielsetzung: Eine sichere, aber anpassungsfähige Verbindung bereitzustellen, die bei Wartung oder Notfällen einfach zu installieren, zu entfernen und zu ersetzen ist.

ITERATIVE VERSIONEN DER VERBINDUNGSELEMENTE

VERSION 1.0 – BASIS-VERBINDUNGSSYSTEM (KONZEPTPHASE)
Beschreibung

Erster Prototyp eines einfachen Steckverbinders für die abnehmbare Befestigung an der Drohnenplattform.

Fertigungsprozess
  • CAD-Modellierung: Einfaches 3D-Modell mit minimalen Haltenasen und generischen Abmessungen.
  • Material: 3D-Druck in PLA mit Standardeinstellungen.
  • Montage: Ausgelegt für irreversible "Snap-and-Lock"-Installation.
Probleme
  • Schwache Haltekraft: Schmale Haltenasen versagten bei Lasten >1 kg.
  • Lockere Toleranzen: Spalten zwischen den Teilen erforderten überschüssiges Material für Stabilität.
  • Schlechte Reparierbarkeit: Permanentes Design machte Notfall-Demontage fast unmöglich.
Vorteile
  • Machbarkeitsnachweis für ein modulares Verbindungssystem.
Kerninnovationen
  • Einführung des grundlegenden Steckmechanismus für zukünftige Verfeinerungen.
VERSION 2.0 – VERSTÄRKTER, EINSTELLBARER VERBINDER (PROTOTYPING-PHASE)
Beschreibung

Überarbeitetes Stecksystem mit dickeren Wänden, engeren Toleranzen und abnehmbaren Merkmalen für Reparaturen.

Fertigungsprozess
  • CAD-Optimierung: Verdickte Haltenasen, reduzierte Spaltmaße und zusätzliche Ausrichtungshilfen.
  • Material: Wechsel zu PETG für verbesserte Festigkeit und Flexibilität.
  • Nachbearbeitung: Schleifen der Kontaktflächen für reibungsloseres Einrasten.
Probleme
  • Übermäßig starres Design erschwerte manuelles Einsetzen/Entfernen.
  • Begrenzte Kompatibilität mit nicht standardmäßigen Drohnenplattformen.
Vorteile
  • 2x Tragfähigkeit: Widerstandsfähig gegen Kräfte bis 2,5 kg.
  • Abnehmbares Design: Ermöglichte Notfall-Demontage mit einfachen Werkzeugen.
Kerninnovationen
  • Einführung universeller Adapterschlitze für zukünftige modulare Anbauteile.
Stecker und Buchse Verbinder V2

▲ ABBILDUNG 7: STECKER UND BUCHSE VERBINDER V2 ▲

VERSION 3.0 – DUAL-SERIES VERBINDERSYSTEM (OPTIMIERUNGSPHASE)
Beschreibung

Finale Iteration mit zwei parallelen Steckverbindern in Reihe zur Verbesserung von Halt, Drehmomentfestigkeit und Lastverteilung.

Fertigungsprozess
  • Material: Kohlefaserverstärktes Nylon (ASA-CF) für hohes Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis.
  • Optimierte Druckparameter für maximale Schichthaftung.
Probleme
  • Anfängliche Ausrichtungsänderungen bei gleichzeitiger Installation beider Verbinder.
  • Höhere Komplexität erhöhte die Montagezeit um 15 %.
Vorteile
  • 4x Tragfähigkeit: Unterstützt bis zu 6 kg ohne Verformung.
  • Anti-Torque-Design: Doppelte Verbinder verhinderten Verdrehungen.
  • Schnelllösemechanismus: Hervorstehende Laschen für schnelle Installation/Entfernung.
Kerninnovationen
  • Dual-Series-Layout: Zwei Verbinder zur gleichmäßigeren Kraftverteilung.
Dual-Series Verbinder V3 (Platzhalter)

▲ DUAL-SERIES VERBINDER V3 (PLATZHALTER) ▲

2.3 MONTAGEHALTERUNG (DRONE ATTACHMENT INTERFACE)

FUNKTION UND ZIELSETZUNG

  • Funktion: Dient als primäre Schnittstelle, die unter der Drohne montiert wird, um den Hakenmechanismus für die Nutzlastlieferung sicher zu halten und zu integrieren.
  • Zielsetzung: Robuste Befestigung an der Drohne, optimale Lastverteilung und Kompatibilität mit verschiedenen Hakensystemen bei minimalem Gewicht und maximaler Haltbarkeit.

ITERATIVE VERSIONEN DER MONTAGEHALTERUNG

VERSION 1.0 – BASIS-RECHTECKRAHMEN (NICHT OPTIMIERT)
Beschreibung

Erstes Design eines einfachen, nicht optimierten rechteckigen Rahmens. Dient als generische Montageplattform für den Hakenmechanismus, ohne Berücksichtigung von Kraftverteilung oder Fertigungseffizienz.

Fertigungsprozess
  • CAD-Modellierung: Erstellt als einfaches rechteckiges Volumen mit gleichmäßiger Wandstärke und generischen Montagelöchern.
  • Material: 3D-Druck mit Standard-PLA für schnelles Prototyping.
Probleme
  • Strukturelle Schwäche: Schlechte Lastverteilung verursachte Spannungskonzentrationen an den Befestigungspunkten.
  • Übermäßiges Gewicht: Unnötiger Materialeinsatz durch nicht optimierte Geometrie.
Standard-Design Montageplatte V1

▲ ABBILDUNG 8: STANDARD-GENERIC-DESIGN FÜR MONTAGEPLATTE V1 ▲

Vorteile
  • Einfach und schnell zu prototypisieren.
  • Validierte die Machbarkeit des Montagekonzepts.
Kerninnovationen
  • Festlegung einer Basisgeometrie für die iterative Verfeinerung.
VERSION 2.0 – GENERATIVE DESIGN OPTIMIERUNG
Beschreibung

Fortgeschrittene Neugestaltung unter Verwendung generativer Algorithmen zur Optimierung der Geometrie hinsichtlich Gewichtsreduktion, Kraftverteilung und Effizienz der additiven Fertigung.

Fertigungsprozess
  • Generativer Workflow: Verwendung von Software (Fusion 360) zur Erzeugung einer organischen, leichten Struktur basierend auf Lastpfaden, Drohnen-Montagebeschränkungen und Anforderungen der Hakenschnittstelle.
  • Definition von Beibehaltungsbereichen (Keep-Out Zones) und Lastannahmen.
  • Material: Hochfestes PETG oder kohlefaserverstärktes Nylon (ASA-CF) für Haltbarkeit bei geringem Gewicht.
Eingeschränkte Zonen für Generatives Design

▲ ABBILDUNG 9: EINGESCHRÄNKTE ZONEN FÜR GENERATIVES DESIGN ▲

Montageplatte V2 mit Verbinder

▲ ABBILDUNG 10: MONTAGEPLATTE V2 MIT VERBINDER ▲

Probleme
  • Höhere Kosten für fortgeschrittene Materialien und Druckparameter.
  • Potenziell längere Druckzeiten für komplexe Geometrien.
Vorteile
  • 30% Gewichtsreduktion: Erreicht durch Topologieoptimierung und Gitterstrukturen.
  • Verbesserte Lastverteilung: Eliminierung von Spannungskonzentrationen durch generative Kraftpfadmodellierung.
  • Modulare Kompatibilität: Universelle Montagelöcher, anpassbar an mehrere Drohnenmodelle und Hakensysteme.
  • Verbesserte Haltbarkeit: Verstärkte kritische Zonen (z. B. Schraubenschnittstellen) bei gleichzeitiger Flexibilität in unkritischen Bereichen.

SPANNUNGSANALYSE / SIMULATION (V2.0)

Basierend auf der Simulation mit einer angenommenen Last von 6 kg wurden die Ergebnisse für die Drohnen-Montagehalterung überprüft.

Sicherheitsfaktor Drohnen-Montagehalterung

▲ ABBILDUNG 11: SICHERHEITSFAKTOR DER DROHNEN-MONTAGEHALTERUNG ▲

Das erste Bild zeigt, dass der Sicherheitsfaktor über die gesamte Halterung hinweg ausgezeichnet ist.

Spannungsanalyse Drohnen-Montagehalterung

▲ ABBILDUNG 12: SPANNUNGSANALYSE DER DROHNEN-MONTAGEHALTERUNG ▲

Das zweite Bild, das die Spannungsanalyse darstellt, zeigt, dass die höchsten Spannungsniveaus angemessen in den Bereichen konzentriert sind, in denen die Kraft aufgebracht wird. Wichtig ist, dass die Spannungsverteilung gleichmäßig erscheint, ohne kritische Spannungskonzentrationen oder "Hotspots".

Diese Analysen bestätigen, dass die Halterung die 6 kg Last sicher mit einem erheblichen Spielraum tragen kann, was ihre strukturelle Integrität und Zuverlässigkeit für den Drohnenbetrieb gewährleistet.

ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK

3.1 ZUSAMMENFASSUNG

Das ResQFly-System stellt eine modulare, drohnenintegrierte Lösung für die On-Demand-Lieferung von medizinischen und Notfallgütern dar. Durch iteratives Design, rigorose Tests und fortschrittliche Fertigungstechniken wurden drei Kernkomponenten entwickelt, um kritische Anforderungen an Haltbarkeit, Gewichtseffizienz und Modularität zu erfüllen:

  • Hakenmechanismus: Entwicklung von einem einfachen PLA-Prototyp mit Schraubscharnier zu einem vollständig 3D-druckbaren, spannungsoptimierten Design (V4.0). Erreicht eine simulierte Tragfähigkeit von 6 kg mit kohlefaserverstärktem ASA-Filament und Kugelgelenken. Spannungssimulationen bestätigten einen Sicherheitsfaktor ≥2,5 in allen Zonen.
  • Verbindungselemente: Übergang von einem fragilen PLA-Stecksystem zu einem Dual-Series-Verbindersystem (V3.0) mit 4-facher Tragfähigkeit (bis zu 6 kg). Verstärktes Design mit Kohlefasermaterial.
  • Montagehalterung: Gewichtsreduktion um 30% durch generatives Design (V2.0), das Gitterstrukturen mit tragenden Streben kombiniert. Spannungsanalyse verifizierte eine gleichmäßige Lastverteilung unter 6 kg ohne kritische Hotspots.

Wichtige Erfolge:

  • Eliminierung elektronischer Abhängigkeiten durch rein mechanische Konstruktionen.
  • Potenzielle Kompatibilität mit DJI, Autel und kundenspezifischen Drohnen (über Montagehalterung).
  • Validierung durch Simulationen und Prototypentests unter angenommenen Bedingungen.

3.2 AUSBLICK

  1. Nachhaltigkeit:
    • Recycling von Stützstrukturen und fehlgeschlagenen 3D-Drucken zur Herstellung neuen Filaments als nachhaltigerer Ansatz für den 3D-Druck.
  2. Skalierbarkeit:
    • Erweiterung der Kompatibilität mit Schwerlast-Industriedrohnen (z. B. 20+ kg Nutzlast).
    • Partnerschaft mit Drohnenherstellern zur Standardisierung von ResQFly-Schnittstellen für globale Akzeptanz.
    • Anpassung des ResQFly-Systems zur Kompatibilität mit Hubschraubern.
  3. Designverbesserung:
    • Einhausung der mechanischen Teile, um das Eindringen von Schmutz zu reduzieren.
    • Integration einer gedruckten Elastomerfeder (erfordert Multi-Material-Fähigkeiten).
  4. Feldtests:
    • Durchführung groß angelegter Versuche in abgelegenen Umgebungen (z. B. Bergregionen, Katastrophengebiete).
    • Sammeln von Benutzerfeedback zur Verfeinerung der Ergonomie und weiteren Reduzierung der Montagezeit (Ziel: -20%).

Endgültige Vision:

ResQFly soll zum universellen Standard für die Notfall-Drohnenlogistik werden, indem modernste additive Fertigung mit benutzerzentriertem Design kombiniert wird, um Leben zu retten, wo traditionelle Methoden nicht hinkommen.

Zukunftsvision ResQFly (Platzhalter)

▲ ZUKUNFTSVISION DES RESQFLY-EINSATZES (PLATZHALTER) ▲