Optimasi Desain Frame Drone dengan Penerapan Metode Generative Design dan 3D Printing: Numerical Design dan Experimental Testing

Abstract

Perkembangan pesat penggunaan Unmanned Aerial Vehicles (UAV) atau drone dalam berbagai sektor seperti pertahanan, pertanian, kesehatan, logistik, dan penumpang, membuat peningkatan yang signifikan dalam pasar global drone dengan proyeksi peningkatan tahunan sebesar 9,4% hingga tahun 2026, tantangan utama yang harus dihadapi seiring bertambahnya pangsa pasar drone adalah merancang UAV dengan massa ringan dan stiffness optimal. Teknologi additive manufacturing, khususnya 3D printing, dan metode generative design menawarkan solusi untuk menciptakan struktur UAV yang efisien dan ringan. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan frame drone dengan massa ringan dan stiffnes optimal menggunakan generative design. Metodologi penelitian dilakukan melalui beberapa tahapan. Pertama, menggunakan perangkat lunak generative design untuk menghasilkan berbagai desain frame drone dengan mempertimbangkan massa dan stiffness. Kedua, melakukan validasi desain meliputi simulasi statis dan simulasi dinamis, simulasi dinamis terdiri dari simulasi drop test dan impact test. Ketiga, 3D printing dikombinasikan dengan material carbon fiber reinforced nylon untuk mencetak desain terpilih. Keempat, melakukan pengujian eksperimental untuk menguji displacement vertikal drone terpilih dan membandingkan dengan hasil simulasi numerik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa desain frame drone SS-O11 dan NO SS-O15 merupakan best design pada penelitian ini. Desain frame drone SS-O11 dan NO SS-O15 menunjukkan performa mekanis unggul. SS-O11 dengan material memiliki factor of safety 15, displacement global 0.18 mm, dan von mises stress 3.28 MPa, sementara NO SS-O15 memiliki factor of safety 15, von mises stress 0.83 MPa, dan displacement 0.03 mm pada simulasi statis. Pada impact test, SS O11 mencapai stress puncak 152.92 MPa dan displacement global 163.71 mm, sementara NO SS-O15 mencapai stress puncak 73.72 MPa dan displacement global 163.64 mm. Desain SS-O11 yang di print dengan material carbon fiber reinforced nylon (CFRN) menunjukkan displacement rendah sebesar 0.12 mm pada beban 1400 gram. SS-O11 memiliki massa 116 gram, mengurangi massa sebesar 66.28% dari massa awal 344 gram, dan memenuhi kriteria stiffness yang diinginkan. Kesimpulannya, penelitian ini berhasil mengembangkan dan menguji desain frame drone yang optimal menggunakan metode generative design dan 3D printing. Desain yang dihasilkan memiliki massa ringan dan stiffness yang optimal serta menunjukkan performa yang baik dalam pengujian eksperimental. Hal ini menunjukkan potensi besar dalam penerapan kedua teknologi ini untuk meningkatkan efisiensi dan performa UAV di masa depan. Penelitian ini memberikan kontribusi signifikan dalam mengintegrasikan teknologi generative design dan 3D printing dalam pembuatan struktur UAV serta memberikan dasar bagi penelitian lebih lanjut di bidang ini.