Druk 3D i nauka - ROSA3D i AGH Solar Plane

Dodano 5 czerwca 2026

Projekt VITOLD – samolot prosto z drukarki 3D

Bezzałogowiec VTOL (Vertical Take-Off and Landing) to statek powietrzny, który łączy zalety wielowirnikowców i płatowców – startuje i ląduje pionowo, a w locie poziomym zachowuje się jak klasyczny płatowiec. Jest to w teorii idealne połączenie, ale w praktyce oznacza też, że trzeba zmierzyć się z wyzwaniami charakterystycznymi dla obu typów jednocześnie. Po wielu godzinach projektowania i analiz zdecydowano, że projekt ten powstanie w większości w technologii druku 3D. To wybór, który odpowiada na kilka problemów naraz: pozwala szybko iterować, produkować złożone geometrie i dopasowywać każdy element pod konkretną funkcję. Głównym wyzwaniem przy budowie statków powietrznych jest jednak zawsze to samo – utrzymać jak najniższą masę przy zachowaniu odpowiedniej wytrzymałości i sztywności. I właśnie tu kluczowy staje się dobór filamentu.

Skrzydła i kadłub ASA+10CF

Pierwsze skrzydła testowe wydrukowano z PETG-10CF . Materiał wytrzymały, ale niestety okazał się za ciężki. Potrzebna okazała się zmiana filamentu na inny. Po wielu testach docelowa wersja skrzydeł, statecznika i kadłuba powstała z ASA+10CF . Dziesięcioprocentowy udział włókna węglowego daje temu filamentowi moduł sprężystości przy rozciąganiu na poziomie 2870 MPa i bardzo wysoką stabilność wymiarową. Baza ASA to z kolei odporność na UV i warunki atmosferyczne, co jest bardzo istotne w przypadku konstrukcji pracujących na zewnątrz. Połączenie tych właściwości pozwoliło zdecydowanie zredukować masę konstrukcji: skrzydła zostały wydrukowane z jednym obrysem i zaledwie 3-procentowym wypełnieniem gyroidalnym. Żeby przy tak małej ilości materiału zachować wymaganą sztywność, skrzydła zostały dodatkowo zalaminowane jedną warstwą włókna szklanego – prosty i tani sposób na wzmocnienie, który sprawdza się bardzo dobrze w praktyce w połączeniu z wydrukami 3D.

Łączenie elementów – czym kleić wydruki 3D?

Budowa skrzydeł z ASA+10CF o rozpiętości aż 2,4 m z druku 3D to nie tylko kwestia doboru filamentu, ale również wytrzymałego połączenia ze sobą poszczególnych elementów. W celu doboru odpowiedniego sposobu wykonano własne testy. Spoina między segmentami skrzydeł nie musi przenosić wszystkich obciążeń samodzielnie. Właściwą sztywność i odporność na zginanie zapewniają dźwigary z rurek z włókna węglowego. Połączenie chemiczne scala wydrukowane segmenty, a dźwigary przejmują siły.

Sprawdzone zostały trzy metody: czysty aceton, mieszaniny acetonu z filamentem ASA w różnych proporcjach oraz dwuskładnikowy klej epoksydowy. Wnioski, jakie wyciągnięto z badań:

● Czysty aceton działa szybko, ale czas roboczy jest tak krótki, że przy większych elementach precyzyjne ustawienie części było prawie niemożliwe.
● Klej epoksydowy wypadł zaskakująco słabo – połączenie okazało się bardziej kruche i mniej odporne na rozciąganie niż oczekiwano.
● Najlepszy wynik dały mieszaniny ASA z acetonem, szczególnie w proporcjach 2:18 i 3:17. Wyższa lepkość gęstszej mieszaniny wydłuża czas roboczy, spoina dobrze zwilża powierzchnię i wiąże równomiernie. Wytrzymałość na rozciąganie wszystkich wariantów ASA+aceton oceniono na 9/10 – nawet wyżej niż w przypadku epoksydu.

Mocowania silników i rurek – PETG-10CF

Nie wszędzie można sobie pozwolić na lekką strukturę. Mocowania silników i rurek nośnych przenoszą dynamiczne obciążenia podczas startu pionowego, dlatego w tym przypadku liczy się udarność, nie minimalizacja masy. Do tych elementów użyte zostało PETG-10CF od ROSA3D FILAMENTS – materiał, który przy skrzydłach był za ciężki, ale przy mocowaniach sprawdza się znakomicie. Udarność na poziomie 45 kJ/m² i dobra spójność warstw czyni go idealnym wyborem do takich zastosowań.

Wibracje – TPU 96A

Pracujące silniki generują wibracje, które – jeśli się ich nie zatrzyma – przenoszą się przez konstrukcję i mogą z czasem uszkodzić elektronikę pokładową. Rozwiązaniem tego problemu było wykorzystanie elastycznych podkładek z TPU 96A między rurką nośną a mocowaniem silnika. Materiał o wytrzymałości na rozdzieranie 140 kN/m i wydłużeniu przy zerwaniu 350% pochłania drgania zanim dotrą tam, gdzie nie powinny.

Mechanizm obrotu silników – PA12+15CF

Przejście VTOLa z lotu pionowego do poziomego wymaga mechanizmu obracającego silniki. Element ten musi pracować pod stałymi obciążeniami dynamicznymi i przenosić momenty skręcające od śmigieł. Nie mogą tutaj występować żadne odkształcenia lub luzy.

Do wykonania mechanizmu wybrano PA12+15CF – poliamid z 15-procentowym udziałem włókna węglowego. Moduł sprężystości 7995 MPa, wytrzymałość na rozciąganie przy zerwaniu 123 MPa. Dla porównania, jest to prawie trzy razy więcej niż popularny ABS. Wydrukowany element zachowuje się jak część z lekkiego stopu aluminium – przy czym wydrukowanie go trwa znacznie krócej niż frezowanie i jest łatwiejsze do prototypowania.

Reszta statku oraz codzienność prac w warsztacie

Poza głównymi konstrukcjami druk 3D trafia też do mniejszych, ale równie istotnych elementów: obudów elektroniki, mocowań, adapterów, prowadnic czy mechanizmów zrzutu. Do takich zastosowań najczęściej trafiają ASA, ABS lub PETG – materiały sprawdzone, elastyczne projektowo i dobrze znoszące użytkowanie na zewnątrz.

Przed wydrukiem docelowego elementu we właściwym filamencie zazwyczaj prototypowany jest on np PLA Starter . Tańszy materiał, szybszy wydruk, ta sama geometria – wystarczy żeby sprawdzić, czy projekt jest poprawny i czy warto go poprawiać przed wydrukiem docelowym. Daje to dodatkową możliwość przetestowania wszelkich elementów i ich ewentualnych poprawek.

Warto wspomnieć jeszcze o jednej kategorii zastosowań, która jest rzadko wymieniana przy projektach lotniczych: narzędzia. Skrobaczki do drukarek, wyprofilowane trzymadła rur węglowych do imadła, pojemniki na frezy i wiertła, półki na filamenty. Może mało spektakularnie brzmiące, ale bez nich nie powstałyby te większe projekty i konstrukcje.

Podsumowanie

Każdy projekt koła to kilka warstw decyzji i materiałów. W przypadku AGH Solar Plane wykorzystywanych jest wiele filamentów – ASA+10CF w skrzydłach, PETG-10CF w mocowaniach, TPU 96A przy silnikach, PA12+15CF w mechanizmie obrotu, i szereg innych – zależnie od tego, czego dany element wymaga. Druk 3D to technologia, która sprawdza się w lotnictwie, robotyce, medycynie i warsztacie studenckim jednocześnie. Kluczem jest jednak nie sama technologia, ale świadomy dobór materiału. Szeroka oferta ROSA3D FILAMENTS sprawia, że każde Koło Naukowe zawsze znajdzie odpowiedź na konkretne wymaganie konstrukcyjne, niezależnie czy chodzi o skrzydło, mocowanie silnika czy tłumienie drgań.