ドローンに高い耐荷重性と長い耐久性を持たせるため、そのシェルには高い剛性と軽量性が求められる。ドローンの外殻にはエンジニアリング・プラスチックが一般的に使用されてきたが、徐々に炭素繊維複合材料に取って代わられつつある。

ドローンはハイテク製品として、空撮、画像伝送、地理測量、農薬散布、地図作成などに使用され、さまざまな分野で応用されている。航空機と同様、ドローンも軽量で高強度な素材に頼ることで効率的な性能を発揮する。新素材である炭素繊維の優れた特性は、ドローン製造に理想的である。

選ぶ理由 ドローン用炭素繊維?

ドローンの製造材料は多様である。初期のドローンには主にアルミニウム合金が使用され、チタン合金や鋼鉄を組み込んだものもあった。金属は強度が高い反面、重量が重いため比強度や剛性が低く、ドローンの積載能力が低下する。さらに、金属はレーダー信号を反射しやすく、二次波を発生させるため、軍事用途には不利である。炭素繊維は、高い比強度と優れた電磁シールド性でこれらの欠点に対処する。

炭素繊維は軽量でありながら強靭で、優れた物理的・化学的特性を持つ。空撮用ドローン、農業用噴霧器、おもちゃの模型飛行機など、現代のドローンにはこの先端素材がますます使用され、広く普及している。

パフォーマンス比較

金属に比べてアルミニウム合金は比較的軽量で、密度は合金元素によって2.2～2.8g/cm³、引張強さは300MPa程度である。しかし、弾性率や剛性は低い。アルミニウムは腐食しやすいが、アルミニウム合金は空気中で酸化皮膜を形成し、それ以上の腐食を防ぐ。

密度がわずか1.6g/cm³の炭素繊維複合材料は、強度で鉄を上回り、耐震性、高温・低温耐久性、低熱膨張性に優れている。アルミニウム合金に比べ、炭素繊維は格段に有利である。

製造上の利点

炭素繊維チューブは、フィラメントワインディング、圧縮成形、引抜成形、オートクレーブ成形など、さまざまなプロセスで成形することができます。アルミニウム合金とは異なり、炭素繊維は一体成形が可能で、追加部品の必要性を減らし、構造を簡素化し、さらに軽量化することができます。

炭素繊維はアルミニウム合金よりも高価だが、経済的な進歩に伴い、そのコストはより身近なものになってきている。軽量な炭素繊維を使用することで、ドローンのエネルギー消費量を削減し、環境保護に貢献するとともに、長期的に大きな経済的メリットをもたらします。

耐久性と安全性

ほとんどの金属の疲労限界は引張強度の30%～50%であるのに対し、炭素繊維複合材は70%～80%に達するため、使用中に突然破損するリスクが低減される。これにより安全性が向上し、耐用年数が延びるため、炭素繊維は最新のドローンに適した素材となっている。

結論

軽量で高い比剛性と強度を持つ炭素繊維複合材料は、様々な構造形状の一体化製造を可能にする。炭素繊維複合材料は、現在の用途において、ドローンのシェルに最適かつ代替不可能な材料となっている。

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