Waternet s drone-applicatie

Waternet s drone-applicatie De watersampler Hogeschool van Amsterdam Weesperzijde 190 1097DZ Amsterdam

Projectorganisatie Projectleiding: Haroen Lemmers: Geotechnical Advisor Waternet Marc Meertens: Change manager Waternet Operationeel: Daniël Geerling: Hogeschool van Amsterdam, Student Mark Hage: Hogeschool van Amsterdam, Student Pim Loof: Hogeschool van Amsterdam, Student Max Simons: Hogeschool van Amsterdam, Student Begeleiding: Laurens Mulukom: Hogeschool van Amsterdam, Docent Joris Cavelaars: Hogeschool van Amsterdam, Docent 2

Inhoudsopgave Projectorganisatie... 2 1 Samenvatting... 5 2 Inleiding... 7 3 Oriëntatiefase... 8 3.1 Doelstelling... 8 3.2 Waternets productvisie... 8 3.3 Afbakening... 8 3.4 Pakket van eisen... 9 3.5 Selectiecriteria... 10 3.6 Functieanalyse... 11 4 Onderzoeksfase... 12 4.1 Welk systeem wordt toegepast?... 12 4.1.1 De Ruttner methode... 12 4.1.2 De van Dorn methode... 13 (Van Dorn Water sampler)... 13 4.1.3 Conclusie... 13 4.2 Materialen... 14 4.2.1 Roestvaststaal... 14 4.2.2 Carbon- en kevlarcomposiet... 14 4.2.3 Rapid Prototyping... 15 4.2.4 Synthetisch rubber... 15 4.3 Aansturing... 16 4.3.1 Programmatuur en hardware... 16 4.3.2 Vernieuwde hardware... 16 4.4 Het op diepte brengen van de sampler... 17 4.4.1 Mechanisch of elektrisch?... 17 4.4.2 Bestaande systemen... 17 4.4.3 Conclusie... 18 4.5 Elektrische quick release... 19 4.5.1 Mechanisch of elektrisch... 19 4.5.2 Bestaande systemen... 19 4.5.3 Conclusie... 20 4.6 Studiemodel... 21 4.6.1 Algemeen... 21 5 Ontwerpfase... 22 5.1 Concept... 22 5.1.1 Container... 22 5.1.2 Containerafsluiters... 22 5.1.3 Beugel... 23 5.1.4 Elektrische quick release... 23 5.1.5 Slangenklemmen... 23 6 Realisatiefase... 24 6.1 Draaibank... 24 6.1.1 Container... 24 6.1.2 Quick release mechanisme... 24 6.1.3 Kegelvormige afsluiters... 24 6.2 Metaalbewerking... 24 6.3 Rapid prototypen... 25 3

6.4 Kevlar lamineren... 25 7 Het eindproduct... 26 8 Advies... 27 9 Literatuurlijst... 28 10 Bijlage I Werktekeningen... 29 11 Bijlage 2 Productiefoto s... 40 4

1 Samenvatting In het teken van innovatie is Waternet in samenwerking met de Hogeschool van Amsterdam een project gestart om de efficiëntie van hun watermetingen te verhogen. Het plan is om in de toekomst met drones de watersamples te nemen om zo het gebruik van boten uit te bannen. De Hogeschool van Amsterdam heeft om dit te realiseren het project over langere tijd verspreid waarin in collegejaar 2013-2014 een drone gebouwd is om gebruikt te worden voor deze metingen. In de eerste helft van collegejaar 2014-2015 is een modulair systeem ontwikkeld en in de tweede helft van dit collegejaar is de watersampler ontworpen en uitgewerkt tot een prototype. In dit verslag is alles te lezen over de ontwikkeling van dit prototype. Elk ontwerpproces begint bij een oriëntatie. Het ontwerpteam heeft hiervoor een dagdeel vergaderd met Haroen Lemmers en een afgevaardigde van het waterlaboratorium in Haarlem. Uit deze vergadering zijn een groot deel van de wensen en eisen van het project gekomen welke genoemd worden in het eerste hoofdstuk van dit verslag. Uit deze vergadering is gebleken dat Waternet een systeem wilde met een rvs container dat op een diepte van 50-80 cm onder het wateroppervlak zijn metingen kon doen. Na deze vergadering is een onderzoek gestart waarin alle mogelijkheden onder de loep genomen zijn om een zo goed mogelijk ontwerp te kunnen maken. Tijdens het onderzoek zijn er meerdere systemen gevonden die dezelfde functie hebben maar niet voldoen aan die eisen die Waternet stelt. De systemen die al bestaan zijn de De van Dorn sampler en De Ruttner sampler. De helft van materialen die gebruikt moeten worden zijn aangedragen door waternet, de andere helft is gevonden door onderzoek te doen welke materialen het meest geschikt zijn. Er is een kleine aanpassing gedaan bij de aansturing van het signaal, hier is de hardware vernieuwd. Tijdens het proces is het duidelijk geworden dat er meer tijd in de watersampler gestoken moet worden. Hierdoor is de ontwikkeling van een systeem dat de sampler op diepte brengt verschoven naar volgend jaar. Vervolgens moest er een manier bedacht worden om de trigger vanaf een afstand af te laten gaan. Op bladzijde zestien staat dit beschreven. De conclusies die uit dit onderzoek getrokken zijn; 1. Het aanpassen van het bestaande van Dorn systeem met als speerpunten het lichter maken van het systeem en het op afstand bedienbaar maken van dit systeem 2. Het gebruik van een container van een tweetal materialen roestvaststaal en kevlar- 3. Het gebruik van afsluitdoppen van synthetisch rubber 4. Een roestvaststalen sluitmechanisme dat aangedreven wordt door een solenoïde 5

Na het onderzoek te hebben afgerond begon de ontwerpfase. Hier is het concept van de watersampler volledig uitgewerkt en in 3d getekend. Hierin zijn de container, de doppen en het sluitmechanisme te zien. Nadat het ontwerp van de watersampler was afgemaakt is besloten deze te produceren. Omdat het produceren van de watersampler met de gekozen materialen te duur is en teveel tijd kost, is er gekozen om een prototype te maken die makkelijker te fabriceren is om de werking van het concept te laten zien. Hierbij is gekozen omdat binnenkant van de container te maken van een pvc buis en nog wel te lamineren maar nu met koolstofvezel. Om de doppen van synthetisch rubber te maken zou een mal moeten worden gemaakt wat zeer prijzig zou zijn en wat zou moeten worden uitbesteed. Hierdoor is er gekozen om de doppen 3d te printen wat goedkoper en sneller is. Het sluitmechanisme is nog wel van rvs en word nog wel aangedreven door een solenoïde. Dit alles is samengevoegd en kan de werking van het van Dorn Sampler duidelijk laten zien. 6

2 Inleiding Waternet is de organisatie die de gehele watercyclus van waterschap Gooi, Amstel en Vecht en de gemeente Amsterdam beheert. Dit houdt in dat Waternet afvalwater zuivert, drinkwater produceert en het oppervlaktewater schoon en op peil houdt. Belangrijke onderdelen van dit proces zijn waterkwaliteitsmetingen en dijkmetingen (afbeelding 1). Deze worden tot op heden handmatig uitgevoerd, hiervoor gaat een watercontroleur van Waternet dan met een bootje het water op om zo met een RvS-emmer een monster te nemen. Dit monster wordt dan overgeheveld in kleinere containers en naar het waterlaboratorium te Haarlem gestuurd voor analyse. De huidige manier van monsterafname neemt veel tijd in beslag en wordt door het gebruik van een boot vaak ook duur. Daarom wilt Waternet in de nabije toekomst gebruik gaan maken van een Drone, hiermee moet een waterinspecteur vanaf de waterkant op afstand zijn monster binnen kunnen halen. Om dit project te realiseren heeft Waternet zich aangesloten bij het project innovatielab van de Hogeschool van Amsterdam. Deze projecten worden door tweedejaars studenten uitgevoerd onder begeleiding van een of twee docenten. Het project van Waternet beslaat meerdere collegejaren waarin in het collegejaar 2013-2014 de drone gebouwd is en in de eerste helft van collegejaar 2014-2015 een modulair systeem en de aansturing voor de sampler gerealiseerd is. In de tweede helft van dit collegejaar zal de daadwerkelijke watersampler voor Waternet gerealiseerd worden in prototypevorm met het oogpunt op een spoedige toepassing. De ontwikkeling van deze sampler is verdeeld in vier fases te beginnen met de oriëntatiefase. In deze fase is kennisgemaakt met Waternet en is de opdracht duidelijk geformuleerd. Hier opvolgend is het ontwerpteam een onderzoek gestart naar de verschillende mogelijkheden voor de casus die Waternet bij hun neergelegd heeft om zo te kijken wat er wellicht al bestaat en mogelijk is. Na dit onderzoek is in de ontwerpfase een definitief product ontwikkeld wat in de realisatiefase geproduceerd is voor waternet. Afbeelding 1 sample opnemen 7

3 Oriëntatiefase In deze eerste fase van het project heeft het projectteam kennisgemaakt met Waternet en is de leidraad voor het project bepaald. 3.1 Doelstelling Het doel van dit project is om de Oktokopter XL drone van waternet operationeel te maken voor het doen van alle verschillende soorten watermetingen die op dit moment nog handmatig worden uitgevoerd. Opmerking [DG1]: Het meenemen door de fases is door het logisch verloop van het verslag in onze ogen onnodig Dit houdt in dat het modulaire systeem een kleine verbetering moet ondergaan en dat er een watersampler ontwikkeld moet worden. De sampler moet zo worden ontworpen dat deze gemakkelijk aan het modulair systeem bevestigd kan worden en de vliegeigenschappen van de drone niet negatief beïnvloedt worden. 3.2 Waternets productvisie Waternet ziet een drone met watersampler voor zich die alle watermonsters die nu op de traditionele manier worden genomen-met een boot en RvS emmer-kan nemen. Verder moet het complete systeem te gebruiken zijn door een waterinspecteur na een vliegcursus en een korte uitleg van de modules. 3.3 Afbakening De opdracht die het projectteam van het HvA Innovatielab heeft gekregen omvat het realiseren van een werkend prototype van de watersample-applicatie voor de Oktokopter XL. Dit prototype is ervoor bedoeld om te bewijzen dat een sampler van minimaal 500ml gedragen en bedient kan worden via de interface van de Oktokopter drone. Wanneer het projectteam genoeg tijd over heeft zal het team ook een prototype maken van het systeem dat de sampler op diepte brengt. 8

3.4 Pakket van eisen Het onderstaande pakket van eisen is samengesteld op basis van de minimale eisen die de watersampler moet omvatten om daadwerkelijk bruikbaar te zijn. Deze eisen zijn in samenwerking met Waternet en het waterlaboratorium te Haarlem gesteld. Het pakket van eisen is onderhevig geweest aan continue verandering omdat tijdens de ontwikkeling van de sampler geregeld tegen een nieuw probleem of oplossing wordt aangelopen. De sampler kan een meting doen op een diepte tussen de 50 en 80 centimeter onder het wateroppervlak; De watersampler bestaat uit een RvS container; De watersampler kan een ruwe landing met de drone aan (nadere omschrijving volgt); De samplecontainer heeft een minimale inhoud van 500 milliliter; De sampler is via de afstandsbediening van de Oktokopter xl te bedienen; De sampler is in een handbeweging te bevestigen aan het modulair systeem; De container van de watersampler is binnen 5 minuten te verwisselen voor een nieuwe container; De watercontainer moet zonder te druppelen te verdelen zijn in kleinere containers (gieten); De watersampler weegt niet meer dan 1.5 kilogram; De watersampler kan een sample nemen bij een waterdiepte van 80 centimeter of dieper zonder daarbij bodemsediment op te vangen; De watercontainer laat het niet toe om oppervlaktecontaminatie in het sample te laten komen; De watercontainer wordt niet warmer dan 37 graden tijdens het vervoeren van het monster; De watercontainer is bestand tegen het sterilisatieproces; De samplecontainer moet het monster niet contamineren; De watercontainer geeft geen organisch dan wel anorganisch materiaal af aan het sample; Het systeem functioneert bij alle mogelijke Nederlandse weersomstandigheden; De watersampler is bestand tegen een crash met 25 km/u; De drone moet op zijn staanders kunnen opstijgen en landen. 9

3.5 Selectiecriteria Uit het pakket van eisen zijn vervolgens de selectiecriteria voortgekomen. Dit zijn de kritieke punten waar de ontwerpen op getoetst zullen worden. Wanneer een ontwerp gemiddeld beter scoort zal dit automatisch een betere toepassing zijn mits bepaalde grenswaarden in de eisen niet overtreden worden. Het systeem moet zo licht mogelijk zijn; De container is zo makkelijk mogelijk te verwisselen; De container moet zo crashbestendig mogelijk zijn; Het systeem is zo veilig mogelijk; De vliegeigenschappen worden zo min mogelijk aangetast door het gebruik van de sampler; Het systeem is zo gebruiksvriendelijk mogelijk; Het systeem kan zoveel mogelijke metingen doen die hedendaags handmatig worden uitgevoerd; Het systeem is zo gemakkelijk mogelijk te produceren; Waterinspecteurs worden zo snel mogelijk bekend met het systeem. 10

3.6 Functieanalyse De functies van de watersampler worden in de functieanalyse (afbeelding 2) duidelijk gevisualiseerd. De hoofdfunctie van de watersampler is het nemen van een monster van tenminste 500 milliliter. Dit kan vervolgens opgedeeld worden in twee deelfuncties. Het op diepte brengen van de samplecontainer op een diepte van 50 tot 80 centimeter onder het wateroppervlak en het sluiten van deze container. Het op diepte brengen en inschuiven van de sampler gebeurd op zo een manier dat hier geen menselijke interventie aan te pas hoeft te komen. De container wordt doormiddel van de afstandsbediening gesloten en handmatig geprimed. *(primen is het op scherp zetten van de container zodat deze automatisch dichtslaat na het activeren van de snelkoppeling) watersample nemen Afbeelding 2 functieanalyse module op diepte brengen container sluiten automatisch uitschuiven bij landen inschuiven container op afstand sluiten container handmatig primen* 11

4 Onderzoeksfase Na de opstart van het project is het zaak om, nadat alle eisen en prioriteiten vastgesteld zijn, een onderzoek te starten. In dit onderzoek zijn de verschillende mogelijkheden van de bestaande systemen, mogelijke materialen en hun productietechnieken onderzocht. Dit onderzoek dient als leidraad voor de hierop volgende ontwerpfase. In deze fase zullen de conclusies uit het onderzoek gekoppeld worden en zal er één finaal ontwerp ontstaan. 4.1 Welk systeem wordt toegepast? Ten eerste is het belangrijk om een keuze te maken uit het type watersampler dat gebruikt zal gaan worden. tijdens een vergadering bij het waterlaboratorium in Haarlem is het projectteam in overleg met Haroen Lemmens en Jeffrey de Leeuw manager bij het waterlaboratorium- tot de conclusie gekomen dat de keuze gemaakt zal moeten worden uit een Ruttner of een van Dorn watersampler. Er is gekozen om een geautomatiseerde versie van het van Dorn systeem toe te passen voor Waternet. Hieronder leest u waarom deze keuze is gemaakt. 4.1.1 De Ruttner methode De Ruttnersampler (afbeelding 3) is een systeem waarbij een cilinder wordt afgesloten met twee kleppen die voorzien zijn van een afdichtmateriaal. De twee kleppen zijn in lijn met elkaar gezet met behulp van een cilinder. Met behulp van een veer of elastiek kunnen de kleppen gesloten worden en word het water verzameld in de cilinder. Bestaande Ruttnersamplers werken doormiddel van een mechanische snelkoppeling die het verensysteem van de kleppen activeert. Dit gebeurt doormiddel van het laten vallen van een schuiflood langs de lijn waaraan de sampler hangt. Dit systeem is niet toepasbaar voor Waternet zijn toepassing en zal dus, indien gekozen, aangepast moeten worden. Dit heeft te maken met het feit dat deze systemen op een mechanische wijze werken en dus niet op afstand bedient kunnen worden. Verder is het zo dat de acrylaat behuizing niet geschikt is voor alle watermetingen omdat bij bepaalde metingen de acrylafgifte van de cilinder aan het sample wordt gemeten. Het gewicht van de Ruttnersamplers is bij bestaande fabrikanten ongeveer 550 gram bij een inhoud van 0,7 liter. De Oktokopter XL heeft inclusief zijn veiligheidsmarge een liftcapaciteit van plusminus 3,25 kilo volgens specificaties van Mikrokopter en zou deze sampler dus gemakkelijk kunnen dragen. Nadelen van deze manier van samplen zijn dat door de verticale positie van de sampler in het water het sample minder accuraat van een bepaalde diepte kan worden genomen. Hierdoor kan bijvoorbeeld een blauwalgmeting niet gedaan worden doordat deze vervuiling aan de oppervlakte leeft. Een ander nadeel van het Ruttnersysteem is dat het in ondiepe wateren niet kan functioneren door zijn verticale waterpositie. Tot slot is het voor eventuele contaminatie van het monster gemakkelijk om zich te nestelen rondom de kleine openingen van de sampler. Hierdoor is het Afbeelding 3 Ruttner sampler 12

lastig om een monster te nemen op een plaats waar veel oppervlakte vervuiling is zoals bijvoorbeeld plastic, organisch materiaal enzovoorts. (Ruttner Water Sampler) 4.1.2 De van Dorn methode De van Dorn Sampler (afbeelding 4) is een systeem waarbij een cilinder, net als bij de Ruttner sampler, met twee kleppen wordt afgesloten. De kleppen worden hierbij echter niet in lijn gezet met de cilinder. De kleppen worden door de cilinder heen met een zeer sterk elastiek verbonden. Aan de bovenzijde van de cilinder worden de kleppen aan elkaar gekoppeld waardoor de elastiek op spanning wordt gebracht. Wanneer het schietlood (zie Ruttnermethode) het mechanische mechanisme raakt worden de twee kleppen gelost en door het elastiek naar de uiteinden van de samplecilinder getrokken. Wanneer deze sampler voor Waternet toegepast zou moeten worden zal het schietlood vervangen worden door een elektrische snel schakelaar en de sample cilinder vervaardigd worden uit een mix van RvS en composiet om zo aan de gewichts- en containereis van Waternet te kunnen voldoen. De van Dorn methode is door zijn simpele ontwerp makkelijk in gebruik en onderdelen zijn makkelijk te vervangen. Dit is een groot voordeel aangezien er bij intensief gebruik altijd onderdelen kapot kunnen gaan. Verder is de horizontale positie in het water een voordeel aangezien de sampler dan een preciezere meting op diepte kan uitvoeren en in ondiepere wateren kan opereren. Verder is er wanneer het systeem open is geen enkele belemmering voor de eventuele doorstroom van oppervlakte contaminatie en andere vervuiling die niet gewenst is in het monster. Het grootste nadeel van de van Dorn methode is zijn gewicht, een reguliere van Dorn sampler weegt bij een sample inhoud van 2 liter 4,4 kilo zonder sample. Dit is een gewicht dat de Oktokopter xl niet kan dragen. Het gewicht van deze sampler is voor het grootste deel toe te dragen aan de glazen samplecontainer. Deze zou wanneer deze voor Waternet wordt toegepast gemaakt worden van een composieten buitenwand met een RVS lining. Hierdoor wordt het gewicht gereduceerd en kunnen de monster steriel genomen worden. Afbeelding 4 van Dorn sampler (Van Dorn Water sampler) 4.1.3 Conclusie Er is gekozen voor het aanpassen van de van Dorn methode voor de toepassing van Waternet. Deze keuze is gemaakt door het veel grotere toepassingsgebied van de van Dorn methode door zijn horizontale waterpositie in combinatie met het feit dat een horizontaal geplaatste cilinder zorgt voor doorstroom. Hierdoor 13

zal het minder voorkomen dat het monster gecontamineerd raakt met bijvoorbeeld oppervlaktevervuiling. De slangenklemmen waarmee het sluitmechanisme bevestigd is maken het tevens erg gemakkelijk om de cilinders te verwisselen. De van Dorn sampler is op dit moment te zwaar, maar door het toepassen van lichtere materialen en het terug schalen van het product zal dit overwonnen worden. 4.2 Materialen De van Dorn sampler zal worden toegepast in een drone-applicatie. Het is daardoor erg belangrijk dat er gewicht bespaard wordt omdat de drone een draagkracht heeft van slechts 2.5 kilogram. Er zijn bepaalde onderdelen van de watersampler die gebonden zijn aan bepaalde materialen zoals RvS. Bij onderdelen die deze specifieke eisen niet hebben zal er zo veel mogelijk gekozen worden voor lichtgewicht materialen. In het volgende hoofdstuk zijn de gekozen materialen met hun productiemethoden beschreven Opmerking [DG2]: Watjes worden veel toegepast bij de bouw van watersamples 4.2.1 Roestvaststaal Het is voor Waternet belangrijk dat het sample geen contaminatie bevat van de materialen van de watersampler. Zoals eerder verteld kan deze contaminatie de meetwaarden van het sample verstoren. Hierom is gekozen voor de toepassing van RVS316 in de samplecontainer van de sampler. Dit is een materiaal waar de huidige sample-emmers bij Waternet ook van gemaakt zijn en dus een factor die is bewezen door praktijkgebruik. Omdat RVS316 relatief zwaar is zal er een extreem dunne laag aan de binnenkant van de samplecontainer worden aangebracht om zo het contact met de gebruikte composieten te vermijden. Er is tevens voor dit materiaal gekozen omdat een van de eisen van Waternet is dat de sampler gesteriliseerd moet worden. RVS is bestand tegen de relatief hoge temperaturen die vrijkomen tijdens het sterilisatieproces. De sterilisatieruimtes binnen het waterlaboratorium maken gebruik van stoom voor het steriliseren van hun producten. Het gebruikte composietmateriaal zal hier ook tegen bestand moeten zijn. Hierom zal temperatuur bestendigheid worden meegenomen in de keuze voor het composiet. Tevens zal het roestvaststaal gebruikt worden voor het fabriceren van het quick release mechanisme. Dit is gedaan omdat dit gedeelte van de sampler een hoop krachten op moet vangen en zich vaak onder water zal bevinden. 4.2.2 Carbon- en kevlarcomposiet Omdat de sampler licht doch stevig moet zijn zal de buitenste laag van de sample container vervaardigd worden uit kevlar composiet. De sampler moet tegen een crashlanding met een snelheid van 25 km/h kunnen en tegen een landing op hard materiaal zoals asfalt of een rotsachtige rivierbedden omdat tijdens het landingsproces de sampler als eerste contact maakt met het landingsoppervlak. Kevlar is zwaarder van gewicht maar beter bestand tegen het opvangen van puntbelasting dan carboncomposiet en is daarom uitermate geschikt. Carboncomposiet zal worden gebruikt voor het systeem om de drone op diepte te laten komen omdat dit door zijn stijfheid de sampler niet laat slingeren in de lucht en extreem licht van gewicht is. Beide materialen worden op dezelfde 14

manier verwerkt. Ze worden gelamineerd in een negatieve mal of direct over de dunne RVS binnenwand en daarna vacuüm getrokken voor maximaal resultaat. 4.2.3 Rapid Prototyping Om voor verdere gewichtsbesparing te zorgen zal voor de overige onderdelen die niet in direct contact staan met het sample vervaardigd uit ABS doormiddel van Rapid Prototyping in de Dimension DSS printer. Er is voor dit materiaal gekozen omdat het zeer sterk is en goed bestand tegen omgevingsinvloeden zoals Uvstraling en water. Daarnaast kan door de productiemethode Rapid Prototyping het materiaal in extreem lichte constructies gevormd worden die niet mogelijk zijn met traditionele productiemethoden. 4.2.4 Synthetisch rubber Voor het prototype zullen de doppen gemaakt worden van ABS dat waterdicht gemaakt wordt door middel van kunststof ringen om de afsluiting te garanderen. Deze combinatie is gebruikt omdat hier geen dure mal voor nodig is en er doormiddel van de hierboven beschreven 3D-printtechnologie grote vormvrijheid is. In het productiemodel zullen deze doppen gegoten worden uit synthetisch rubber om zo de dop zelf voor zijn eigen afsluiting te laten zorgen. Tijdens de prototypefase wordt dit nog niet gedaan omdat dit simpelweg te duur is en dit uitbesteed moet worpen om te produceren. 15

4.3 Aansturing In Deze paragraaf zal worden toegelicht hoe de aansturing die in het vorige projectblok ontwikkeld is aangepast wordt voor de toepassing van de Waternet sampler 4.3.1 Programmatuur en hardware De aansturing van de watersampler verloopt op dit moment via de Afstandsbediening van de Oktokopter XL. Het signaal dat de afstandsbediening uitzendt is echter te zwak om elektrische systemen direct aan te sturen. Hiervoor wordt het PWM signaal van de afstandsbediening via een Arduino omgezet in een bloksignaal die op zijn beurt een relais aanstuurt. Dit relais is aangesloten op de 12 volt uitgang van de drone. Wanneer de knop op de afstandsbediening wordt omgezet zal er een stroom van 12 volt via het relais naar de elektrische toepassing lopen waardoor het samplesysteem in werking zal worden gezet. De hardware die toegepast wordt voor het in werking stellen van de watersampler bestaat uit de afstandsbediening van de oktokopter XL, een Arduino en een 12 volt relais. 4.3.2 Vernieuwde hardware Tot op heden was het gewenst om gebruik te maken van een Arduino vanwege de pomp en levelsensor in de huidige sampler. Deze sampler werkt door het water via een slang uit het water te pompen. Wanneer de levelsensor waarneemt dat de container vol zit zal deze een signaal uitzenden dat de pomp uitschakelt. Deze functies zijn echter komen te vervallen omdat het oppompen van water niet wenselijk is. De Arduino is hierdoor overbodig geworden. De Arduino zal vervangen worden door een RC relais Switch (afbeelding 5) die ervoor zorgt dat het signaal van de controller rechtstreeks een relais aanstuurt. Door deze Afbeelding 5 RC relais Switch schakelaar toe te passen verlies je enkele functionaliteit van de drone. Dit is echter geen belemmering omdat de drone een single purpose voertuig is en dus alleen maar watersamples hoeft te nemen. 16

4.4 Het op diepte brengen van de sampler Het is voor het waterlaboratorium belangrijk dat de watermonsters op een bepaalde diepte genomen gaan worden, namelijk 50 tot 80 cm onder het wateroppervlak. Dit heeft te maken met het feit dat men geen oppervlakte contaminatie in het monster wilt hebben zoals kelp of plastic. Het is dus nodig om de sampler, het liefst instelbaar, onder het oppervlakte te kunnen laten zakken. Hierbij moet rekening gehouden worden met het feit dat de drone moet kunnen landen op zijn vier poten en dat er beperkte stuursignalen beschikbaar zijn. 4.4.1 Mechanisch of elektrisch? Ten eerste is het van belang om een keuze te maken tussen het gebruik van een mechanisch of een systeem met een elektrische aandrijving. De belangrijkste factor hierbij is gewicht. Voor het nemen van de watersamples van 500ml zal de Oktokopter zo licht mogelijk gehouden moeten worden om niet overbelast te raken. Het is dus wenselijk om een systeem te ontwikkelen met zo min mogelijk motoren, onderdelen-en actuatoren. Om deze reden is gekozen voor het gebruik van een mechanisch systeem dat werkt zonder enige vorm van aangedreven bewegingen. 4.4.2 Bestaande systemen Het is belangrijk om tijdens een ontwerpproces te kijken naar bestaande ideeën om zo geen onnodig werk te verrichten door het wiel opnieuw uit te vinden. Vandaar dat hieronder een lijst van bestaande systemen zal zijn weergegeven om als inspiratie of zelfs implementatie te dienen 4.4.2.1 Verwisselbare vast lans Dit principe werkt doormiddel van het gebruik van meerdere buizen in verschillende lengtes die men kan verwisselen doormiddel van de toepassing van schroefdraad. Hierdoor is het mogelijk om voor het uitvoeren van verschillende metingen op verschillende dieptes de lengte van de peilstok te veranderen. Voordelen van dit systeem (afbeelding 6) is het gebrek aan bewegende delen waardoor dit systeem erg duurzaam en goedkoop is. De nadelen van dit systeem zijn de beperkte instelmogelijkheden, relatief lange verwisselperiodes en het niet hebben van de mogelijkheid tot landen met de conventionele drijver en poten. Afbeelding 6 verwisselbare vaste lans 17

4.4.2.2 Telescoopprincipe Dit principe (afbeelding 7) werkt doormiddel van een aantal buizen in verschillende diameters die hierdoor in elkaar geschoven kunnen worden. Hierdoor is het mogelijk om de absolute lengte van de telescoop zeer nauwkeurig in te stellen. Het systeem zal kunnen werken doormiddel van zwaartekracht die de telescoop bij het opstijgen uit zal schuiven en wanneer de Oktokopter landt zal deze door de weerstand die de grond biedt, worden ingeschoven. Hierdoor is landen op een veilige manier mogelijk, is het systeem lichtgewicht en kan de bekabeling van het systeem Afbeelding 7 telescoopprincipe inwendig gemonteerd worden. Een mogelijk nadeel van dit systeem is dat bij een te harde landing de sampler wordt beschadigd. 4.4.2.3 Harmonicasysteem Het principe van het harmonicasysteem (afbeelding 8) werkt doormiddel van een aantal rechthoekige stalen profielen die kruislings over elkaar worden geplaatst waardoor er een groot scharnier ontstaat. Het is hierdoor mogelijk om doormiddel van zwaartekracht het systeem net als bij het telescoopprincipe tot een gewenste hoogte te laten zakken. Dit systeem is instelbaar door bijvoorbeeld een of twee harmonicadelen te fixeren waardoor deze niet meer bewegen. Voordelen van dit systeem zijn dat het stevig is, eenvoudig te fabriceren en onderdelen makkelijk te vervangen zijn. Nadeel van dit systeem is dat het zwaar is door de grote hoeveelheid onderdelen en dat er makkelijk vuil tussen de schuivende delen kan komen waardoor het systeem vastloopt. Afbeelding 8 harmonicasysteem 4.4.3 Conclusie Voor de toepassing van de Oktokopter watersampler is het van belang dat de sampler op diepte kan worden gebracht in samenwerking met de huidige drijver en poten van de drone. Hierdoor valt het vaste buizensysteem al gelijk af. Daaropvolgend is het belangrijk dat het systeem licht van gewicht is en zal daarom het lichtste systeem gekozen worden voor de toepassing van de watersampler, het telescoopsysteem. Een groot ander voordeel is dat het telescoopsysteem met inwendige bedrading kan werken wat zorgt voor een verlengde levensduur en het bijna onmogelijk is voor de draden om te knikken of in de war te raken. Het systeem kan optioneel uitgerust worden met een veer om eventueel de zwaartekracht en tegendruk van het water te overwinnen. 18

4.5 Elektrische quick release In deze paragraaf zal de ontwikkeling en werking van het release mechanisme worden doorgesproken. De kleppen worden door middel van een elastiek aan elkaar verbonden door de buis heen. De kleppen moeten buiten de buis op spanning worden gebracht. Dit wordt door de quick release gedaan. 4.5.1 Mechanisch of elektrisch De quick release kan mechanisch of elektrisch worden uitgevoerd. Het is van belang om hierbij te kijken naar de probleemstelling. Er wordt met een drone het water opgevlogen om de watersampler in het water te laten zakken. Als de watersampler op diepte is gebracht moeten de kleppen sluiten. Er zal dus een elektrisch systeem moeten worden bedacht om dit te realiseren. 4.5.2 Bestaande systemen Het is tijdens een onderzoek belangrijk om te kijken welke systemen er al bestaan om een bepaald probleem aan te pakken. In het geval van een Van Dorn Sampler kan er gekeken worden naar het systeem dat daar gebruikt wordt. 4.5.2.1 Quick release Van Dorn Sampler Na contact met KC-Denmark, een bedrijf dat met onder andere Van Dorn Samplers werkt, hebben we foto s gekregen van de quick release (afbeelding 9). Afbeelding 9 quick release Dit mechanisme werkt met een schietlood. Er wordt een lood, dat begeleid wordt door een kabel, losgelaten op een afstand van +/- 1 meter boven de sampler. Dit loodje valt op het bovenste plaatje en duwt de pinnetjes waar de kabels die aan de kleppen verbonden zitten aan worden vastgemaakt, uit hun vergrendeling. De kleppen schieten hierdoor naar binnen en nemen een sample. Opmerking [DG3]: Dit is aangegeven om de werking van het bestaande systeem uit te leggen. Bij verder lezen wordt duidelijk wat de aanpassing hiervan wordt. 19

4.5.2.2 Solenoïde Er moet een systeem bedacht worden dat de kleppen elektrisch kan bedienen. Omdat wij gebruik willen maken van een omgebouwde versie van de quick release zullen we een systeem moeten vinden of maken dat de functie van het schietlood vervangt. Als we kijken naar wat het schietlood eigenlijk doet valt er te concluderen dat het een lineaire beweging tot stand brengt. Afbeelding 10 solenoïde In veel industriële situaties worden zogenaamde solenoïdes (afbeelding 10) gebruikt voor het tot stand brengen van lineaire en roterende bewegingen. Het grote voordeel van solenoïdes is dat ze elektrisch worden bediend. In het pakket van eisen staat dat de sampler met de afstandsbediening van de Oktokopter moet kunnen worden bediend. De solenoïde is hier ideaal voor omdat deze zijn functie kan vervullen met een enkel elektrisch signaal. In de onderverdeling van lineaire solenoïdes bestaan er 3 types: een trek, druk-en druk/trek solenoïde. De trek en de druk solenoïde functioneert met een enkel stuursignaal. De gecombineerde solenoïde die zowel kan trekken als drukken wordt bediend met twee signalen. Keuzematrix juiste solenoïde Rotatie Trek Druk Trek/druk Benodigde signalen 3 3 3 1 Juiste beweging 0 3 3 3 Gewicht 2 2 2 2 Totaalscore 5 8 8 6 Uit de keuzematrix komt naar voren dat zowel de druk als de trek solenoïde geschikt zijn. Bij de afdeling E-technology op de HvA konden we een trek solenoïde uit het magazijn krijgen dus deze hebben we dan ook gebruikt. 4.5.3 Conclusie Het mechanisme dat bij de van dorn sampler wordt gebruikt is een goed begin voor het ontwerpen van een elektrisch bediend systeem. 20

4.6 Studiemodel Om de toekomstige ontwerpen van de watersampler te testen onder de drone is hier altijd de drone zelf voor nodig. Deze drone hebben wij niet altijd tot onze beschikking en moeten wij ophalen bij waternet. Hierdoor hebben wij besloten om een replica (afbeelding 11) van de drone te maken om hiermee tijd te besparen en altijd de mogelijkheid te hebben om de watersampler onder de drone te testen. 4.6.1 Algemeen Voor het maken van de 3D tekeningen van de drone is besloten alleen de belangrijke onderdelen van de drone te tekenen en te repliceren. Omdat het maken van deze tekeningen heel nauwkeurig moet gebeuren zijn alle maten van de drone met een schuifmaat opgemeten. Nadat alle tekeningen in 3D ontworpen zijn is er gekozen om te beginnen met het produceren van de poten van de drone, dit is gedaan doormiddel van een 3d printer. De maten van deze poten zijn lichtelijk geschaald omdat deze anders niet in de 3D printer pasten. De rest van de onderdelen zijn geproduceerd door middel van een lasersnijder. Deze onderdelen moesten op de millimeter nauwkeurig worden gemaakt waarvoor de lasersnijder ideaal was. Als eerste waren de platen van de batterijhouder laser gesneden op een plexiglas plaat. Dit materiaal bleek helaas niet sterk genoeg en brak al na de lichtste belasting. Hierna hebben we dezelfde plaatjes laser gesneden op een plaat hout. Dit materiaal bleek veel sterker en hebben we dus ook voor de rest van de onderdelen gebruikt. Helaas bleek na het testen op de drone dat de gesneden platen op de millimeter niet pasten en zijn hierdoor nog meerdere malen opnieuw gesneden. Hierna zijn alle onderdelen met tapdraadjes en moertjes in elkaar gezet tot een te gebruiken replica van de drone. Afbeelding 11 schaalmodel (1:1) 21

5 Ontwerpfase Wanneer de conclusies uit het onderzoek getrokken zijn kan er begonnen met het ontwerpen van een eindproduct. Zoals in het vorige hoofdstuk te lezen is, is er gekozen voor de van Dorn methode. Deze is echter niet direct toepasbaar omdat deze een mechanische sluiting heeft, van glas is en te zwaar voor de toepassing onder de Oktokopter XL is. In het volgende hoofdstuk is te zien hoe de gekozen materialen en productiemethoden zijn toegepast op het ontwerp van de van Dorn sampler. 5.1 Concept Zoals gezien in het vorige hoofdstuk is er gekozen om een van Dorn sampler aan te passen voor het gebruik bij de Oktokopter XL. De sampler zal op maat gebouwd worden om zo het gewicht om en nabij de anderhalve kilogram te houden. De verschillende onderdelen van de sampler zullen hieronder uitgebreid worden uitgelegd met tekst en afbeeldingen. De werktekeningen zijn te vinden in bijlage 1 5.1.1 Container De container (afbeelding 12) van de sampler zal bestaan uit een RvS cilinder met een binnendiameter van 75mm een buitendiameter van 76mm bij een lengte van 180 mm. Omdat het RvS een wanddikte heeft van een halve millimeter zal de container verstevigd worden met een laag kevlarcomposiet. Dit materiaal is licht van gewicht en biedt een grote weerstand aan slag en stootschade. De container zal fungeren als de basis waar de rest van de sampler omheen zal worden gebouwd. Afbeelding 12 container 5.1.2 Containerafsluiters Om de container af te sluiten zullen er twee verschillende soorten doppen worden gemaakt en getest. Een kegelvormige dop en een ronde dop. Op deze manier kan gekeken worden welke dop het beste afsluit en het beste in zijn positie valt. Een rondvormige dop (afbeelding 13) zal lijken op een koepel en geproduceerd worden in de 3Dprinter in een werkelijk model zullen deze doppen gegoten worden uit synthetisch rubber. Door de doppen te gieten uit dit materiaal is het niet nodig om de doppen te voorzien van een seal om ze zo waterdicht te maken. Afbeelding 13 rondvormig 22

De kegelvormige doppen (afbeelding 14) zullen op de draaibank gemaakt worden en evenals de rondvormige doppen zullen deze in een productiemodel gegoten worden. De kegelvorm moet ervoor zorgen dat de doppen gemakkelijk op hun plaats glijden. Tevens neemt de kegel minder ruimte in beslag dan de rondvormige dop. Hierdoor is het mogelijk om meer water op te vangen in een even grote cilinder. 5.1.3 Beugel Voor de beugel is er een concept gemaakt van RvS zo dat het niet roest onderwater. De beugel bestaat uit twee aparte delen die vastgeklemd zijn aan de container door slangenklemmen. Tussen de twee beugels wordt het elektrische quick release gemonteerd. Afbeelding 14 kegelvormig Afbeelding 15 beugel 5.1.4 Elektrische quick release Voor de elektrische quick (afbeelding 16) release is er een aangepaste versie ontworpen van de Van Dorn Sampler. De quick release is zo aangepast dat er een solenoïde op aangesloten kan worden. 5.1.5 Slangenklemmen Afbeelding 16 elektrische quick release De slangenklemmen (afbeelding 17) die gebruikt worden om de beugels te monteren op de container is afkomstig van de bouwmarkt Gamma. De maten van de slangenklemmen is verstelbaar tussen de 50-165 mm. Afbeelding 17 slangenklemmen 23

6 Realisatiefase In dit hoofdstuk zal het bouwproces van de sampler uitvoerig beschreven worden. Hierdoor is het gemakkelijker om in de toekomst een productieversie te realiseren. 6.1 Draaibank 6.1.1 Container Toen tot de productie van het prototype werd overgegaan is men tot de conclusie gekomen dat er geen RvS materiaal beschikbaar wat in de juiste maat 77*0.5 mm Om dit probleem op te lossen wilde het productieteam een buis afdraaien van 80*2 mm naar de gewenste maat. Deze buis was echter buitensporig duur voor een prototype waardoor men een buis met een onrondheid van 2 mm heeft genomen en deze handmatig bewerkt. 6.1.2 Quick release mechanisme De quick release bestaat uit 2 plaatjes die geprint worden met de 3D-printer. Deze plaatjes worden in ABS geprint. Deze twee plaatjes staan stil. Tussen deze 2 plaatjes zijn 2 RVS geleiders (afbeelding 18) aangebracht. Deze geleiders worden op de draaibank gemaakt. Over deze geleiders schuift een RVS plaatje heen en weer dat wordt aangedreven door de solenoïde. Dit plaatje wordt met behulp van een schaar en een kolomboormachine gemaakt. Op dit bewegende plaatje worden twee RVS pinnetjes aangebracht om de kabels te vergrendelen. Deze pinnetjes worden ook op de draaibank gemaakt. Afbeelding 18 geleider voor quick release 6.1.3 Kegelvormige afsluiters Het draaien van de kegelvormige afsluiters is gedaan uit massief pvc met een diameter van 100mm. PVC laat zich snel en makkelijk draaien en hierbij zijn geen problemen voorgekomen. 6.2 Metaalbewerking De plaatjes van het elektrische sluitmechanisme van de sampler moesten onder zeer nauwkeurige toleranties gemaakt worden omdat deze de lijn bepalen waarlangs het schuivende gedeelte van dit mechanisme loopt. Hierdoor was het cruciaal dat alle gaten van de verschillende plaatjes precies met elkaar in lijn lagen. Door het niet tot beschikking hebben van een watersnijtafel moesten de gaten geboord worden in een kolomboor. Dit is gedaan door de roestvaststalen plaatjes individueel op maat te snijden op een hydraulische snijtafel. Hierna zijn alle gaten gemarkeerd met speciale meetapparatuur en geboord en afgebraamd in de kolomboormachine. Door de hardheid van het materiaal is het lastig gebleken om de gaten goed te centeren en moest er geboord worden op een laag toerental met de toevoeging van slijpvloeistof om de boren niet oververhit te laten raken. 24

6.3 Rapid prototypen Rapid prototyping is meerdere malen gebruikt voor het fabriceren van verschillende onderdelen. Rapid prototypen is gebruikt voor het namaken van de poten van officiële drone zodat de drone niet elke keer op moest worden gehaald bij Waternet wanneer er iets opgemeten moest worden. Bij het maken van het concept van de watersampler is er ook gebruik gemaakt van rapid prototyping. Hiermee zijn de doppen die moeten zorgen dat het water niet uit de sampler loopt gefabriceerd. Er is in beide gevallen gekozen voor rapid prototyping omdat de onderdelen lastige vormen bevatten die door middel van rapid prototyping makkelijk konden worden gefabriceerd. Ook heeft dit veel tijd bespaard omdat de 3d tekeningen direct omgezet kunnen worden naar een te printen bestand en je de printer alleen hoeft aan te zetten waarna de printer zijn werk doet de gebruiker alleen hoeft te wachten tot dat de printer klaar is. Rapid prototyping is een techniek waarbij een te printen onderdeel van onder naar boven in dunne lagen wordt gesneden. Deze lagen worden met het gekozen materiaal, wat bij het prototype van de doppen PLA is, stuk voor stuk op elkaar gelegd. Dit gebeurd door het PLA zacht te maken waardoor het hervormbaar worden en het op een plek kan worden neergelegd waar het weer hard word en in zijn uiteindelijke positie blijft. Door dit dus laag voor laag te doen komt er uiteindelijk een eindproduct uit de 3d printer. 6.4 Kevlar lamineren Vanwege het feit dat wij RvS moeten gebruiken zodat het de metingen zo nauwkeurig mogelijk zijn hebben wij bedacht om de RvS cilinder uit te draaien om het gewicht te verminderen. Het probleem wat er dan komt spelen is dat de cilinder zo dun is dat er een kans bestaat dat de cilinder bij het landen kan indeuken of beschadigen. Om dit te ver komen wordt er een laag kevlar omheen gelamineerd. Kevlar is een zeer ligt maar sterk composiet. Hierdoor zal de stijfheid en sterkte van de cilinder weer op niveau zijn. Wegens gebrek aan Kevlar is het prototype gelamineerd met een laag carbon (afbeelding 19). Carbon is ook geschikt alleen heeft carbon als nadeel dat het met een grote kracht op één punt kan breken. Afbeelding 19 Carbon cilinder 25

7 Het eindproduct In dit hoofdstuk zal het eindproduct waarvan de ontwikkeling in dit verslag beschreven is worden getoond en worden toegelicht doormiddel van tekst en afbeeldingen. In dit verslag heeft u kunnen lezen hoe het ontwerpteam van de HvA een watersampler (afbeelding 20) heeft ontwikkeld die geappliqueerd zal worden op de Oktokopter XL drone s van Waternet. Er is uiteindelijk gekozen om een herontwerp van een van Dorn sampler te fabriceren omdat deze sampler het watersample niet ontgast en accuraat op een bepaalde diepte kan worden geplaatst. De sleutelpunten van het herontwerp zijn het vervaardigen van lichtgewicht onderdelen en het elektrisch maken van het systeem. De grootste gewichtsbesparing is behaald uit het vervaardigen van de watercontainer uit RvS met een wanddikte van 0.5 mm. Dit RvS is hierna verstevigd met kevlar om te voorkomen dat de container indeukt tijdens ruwe landingen of een eventuele crash. Het sluitingsmechanisme van de sampler is opgebouwd uit roestvrijstalen onderdelen met daar op een elektrisch bediende solenoïde. Hierdoor is het mogelijk om met een druk op de knop van de remote, via een RC relais switch de module op afstand te sluiten. De sampler zit nog in een prototypefase en behoeft nog enkele verbeteringen voordat dit systeem toegepast kan worden. Hierover leest u meer in het volgende hoofdstuk, Advies. Afbeelding 20 Eindproduct "watersampler" 26

8 Advies Het ontwerpteam heeft in het afgelopen half jaar een prototype voor een watersamplemodule opgeleverd aan Waternet. Dit prototype moet echter nog enkele verbeteringen ondergaan voordat het product in de praktijk inzetbaar is. Het advies is dan ook om in collegejaar 2015-2016 een nieuwe groep studenten te laten werken aan het perfectioneren van de watersampler met dit verslag als leidraad. De werkzaamheden die dan verricht moeten worden hebben betrekking op het waterdicht maken van de solenoïde en het produceren van een mal om zo de afsluitdoppen in synthetisch rubber te kunnen gieten. Wanneer deze handelingen verricht zijn is het ten slotte mogelijk om een verbeterd prototype met de correcte afsluiters en waterdichtheid van de elektronica te laten goedkeuren door het NLR zodat de applicatie officieel gebruikt mag worden in en rondom de Nederlandse wateren. 27

9 Literatuurlijst Ruttner Water Sampler. (sd). Opgehaald van KC-Denmark: http://www.kcdenmark.dk/products/water-sampler/ruttner-water-sampler.aspx Van Dorn Water sampler. (sd). Opgehaald van KC-Denmark: http://www.kcdenmark.dk/products/water-sampler/van-dorn-water-sampler.aspx 28

10 Bijlage I Werktekeningen

70,6 68,6 180 1 Cilinder Rvs Pos. aantal Benaming Materiaal Af met ing Maateenheid: mm Get ekend: Max Simons Nr.: Schaal: Gecont r.: 2 Dat um: 26/ 05/ 2015 Revisie: Hogeschool van Amsterdam Benaming: Domein Techniek ED&I Deze tekening mag niet worden gekopieerd of doorgegeven aan derden zonder schriftelijke toestemming van de Amsterdamse hogeschool voor Techniek Cilinder Project ie: Formaat: A4

2 25 131 27 2 31 131 12 2 60 10 2 Beugel aluminium Pos. aantal Benaming Materiaal Af met ing Maateenheid: mm Get ekend: Max Simons Nr.: Schaal: Gecont r.: 1 Dat um: 21/ 05/ 2015 Revisie: Hogeschool van Amsterdam Benaming: Domein Techniek ED&I Deze tekening mag niet worden gekopieerd of doorgegeven aan derden zonder schriftelijke toestemming van de Amsterdamse hogeschool voor Techniek Beugel Project ie: Formaat: A4 31

98,3 68,6 59,1 19,0 6 7 11 R34,3 49 34 R3,0 R29,6 5 15 5 17 2 Dop ABS Pos. aantal Benaming Materiaal Af met ing Maateenheid: mm Get ekend: Mark Hage Nr.: Schaal: 1:1 Gecont r.: 3 Dat um: 26-05- 15 Revisie: Hogeschool van Amsterdam Benaming: Domein Techniek ED&I Deze tekening mag niet worden gekopieerd of doorgegeven aan derden zonder schriftelijke toestemming van de Amsterdamse hogeschool voor Techniek Dop Project ie: Formaat: A4 32

33

34

35

36

37

38

39

11 Bijlage 2 Productiefoto s 40

41

42

43

44