¿De qué están hechos los drones?

Materiales principales utilizados en drones:

• Compuestos reforzados con fibra de carbono (CRFC)
• Termoplásticos como poliéster, nylon, poliestireno, etc.
• Aluminio
• Baterías de iones de litio

Parece que fue ayer que los drones eran novedades, prototipos construidos por empresas y aficionados emprendedores. Ahora parece que los drones se han apoderado del mundo. Están en todas partes, desempeñando funciones en la industria, el arte e incluso como juguetes para niños . La gente a menudo pasa por alto el hecho de que estas pequeñas máquinas voladoras solo se volvió común recientemente. Los drones aún están en pañales y, a medida que mejoran las tecnologías de materiales y microcontroladores, los drones del futuro evolucionarán de formas que pueden parecer casi ciencia ficción .

Examinando la forma en que se diseñan los drones y los materiales de los que están hechos , podemos entender cómo se desarrolló esta importante tecnología y tener una idea de cómo podría avanzar en el futuro cercano.

Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) están reemplazando rápidamente a los métodos tradicionales de vigilancia terrestre. Están creciendo en popularidad tan rápidamente que algunos incluso han abandonado la expresión clásica "vista de pájaro" por "vista de drones".

Entonces, ¿qué son los drones? ¿Cómo están diseñados? ¿Y qué está impulsando su auge para convertirse en una tecnología generalizada?

Vamos a averiguarlo.

¿Qué son los drones?

Para la mayoría de las personas, un "dron" es un tipo específico de vehículo aéreo no tripulado (UAV). :el multirotor o multicóptero. Tal como su nombre lo indica, estas máquinas vuelan dirigiendo el empuje hacia abajo desde dos o más hélices impulsadas por motores .

Los modelos de consumo más populares son los cuadricópteros (4 rotores), pero las variantes comerciales incluyen hexacópteros (6 rotores) y octocópteros (8 rotores) para proporcionar mayor sustentación. Si bien existe una amplia variedad de drones militares y civiles por ahí, nos centraremos en los drones multirotor comunes y los materiales de los que están hechos.

Para volar, los drones deben ser capaces de generar suficiente empuje hacia arriba para superar su propio peso, por lo que la selección de materiales en un dron está dominada por la minimización de la masa del dron .

Cada gramo de material utilizado para fabricar un dron cuesta energía para levantarlo, y cada gramo que se puede ahorrar mejora el rendimiento:

• Mayor capacidad de carga
• Tiempo de vuelo extendido
• Inercia reducida y maniobrabilidad mejorada

Este proceso de selección de materiales y diseño de componentes para minimizar la masa se denomina "aligeramiento ”. Esto nos proporciona los criterios de selección de propiedades de materiales más importantes:minimizar la masa seleccionando materiales de baja densidad .

Desglose por partes

Los drones son dispositivos complejos compuestos por diferentes componentes trabajando juntos. Cada componente cumple una función diferente , por lo que entran en juego diferentes consideraciones al seleccionar materiales para cada parte . Sin embargo, para cada pieza de un dron, se debe tener en cuenta la densidad del material para minimizar el peso y maximizar el rendimiento .

El marco:manteniéndolo todo junto

El marco le da forma a un dron y mantiene todos los subsistemas en su lugar . Debido a que cumple una función mecánica, la propiedad material más importante para el marco es la resistencia . Para los drones comerciales, los termoplásticos, como las variantes de nailon, poliéster y poliestireno, son opciones populares porque son económicos para convertirlos en piezas complejas. utilizando procesos de moldeo por inyección .

Los termoplásticos también ofrecen buena resistencia y baja densidad , con varias variedades con resistencias a la tracción superiores a 100 MPa y densidades inferiores a 2 g/cm3. Muchos termoplásticos también están disponibles en filamentos que se pueden usar para imprimir piezas personalizadas en 3D. , lo que convierte a los termoplásticos en un componente popular de los drones experimentales.

Mientras que los drones comerciales pueden sacrificar algo de peso adicional para ser más asequibles, los drones industriales priorizar el rendimiento . Un material que es de alta resistencia se puede usar en cantidades más pequeñas, lo que lo convierte en un dron aún más liviano y de mayor rendimiento.

Si usamos una búsqueda de Matmatch para encontrar los materiales de menor densidad y mayor resistencia, encontramos la mejor opción para marcos de drones de alto rendimiento:compuestos reforzados con fibra de carbono . Estos compuestos ofrecen alta resistencia, baja densidad y alta rigidez para hacer marcos de drones ligeros y rígidos.

Motores y hélices:despegando

Sin una fuente de empuje, un dron nunca despegaría. Los motores que mueven los drones son motores eléctricos convencionales con devanados de cobre e imanes permanentes . La carcasa de los motores se puede elegir para minimizar el peso, y los termoplásticos o las aleaciones de aluminio presentan una buena relación resistencia-peso.

Sin embargo, los motores pueden generar un calor significativo. Entonces, materiales con alta conductividad térmica, como el aluminio , se puede usar para la carcasa para ayudar a enfriar el motor.

El mercado mundial de drones no militares, dominado por fabricantes en China, se triplicará en tamaño a $ 14,3 mil millones en ventas durante la próxima década. (Reuters)

Las palas del rotor de los drones giran a altas velocidades, por lo que tienden a absorber la mayor parte del desgaste cuando un dron vuela (o se bloquea). Al igual que los materiales del marco, elegir un material óptimo para las palas del rotor es una cuestión de maximizar la fuerza mientras se minimiza el peso.

Algunas palas de rotor están hechas de compuestos reforzados con fibra de carbono . Sin embargo, las palas del rotor se dañan y reemplazan con frecuencia, muchas están hechas de termoplásticos para reducir el costo de reemplazo. ellos cuando se rompen.

Debido a que las palas del rotor generalmente se dañan en impactos de alta velocidad mientras giran, un ingeniero que busque diseñar una pala de rotor duradera podría filtrar los materiales por resistencia al impacto y densidad para seleccionar un material adecuado.

Baterías:el poder de volar

De todos los componentes de un dron, mejoras en la tecnología de baterías podría ser el avance más importante que hizo posibles los drones multirotor modernos. De la misma manera que se tienen en cuenta las relaciones fuerza-peso al diseñar componentes mecánicos, el rendimiento de la batería se puede medir en términos del peso de la batería .

Medidas como energía específica (J/kg) y potencia específica (W/kg) describe la capacidad de una batería para almacenar y liberar energía en términos de la masa de la batería .

Baterías antiguas de plomo-ácido y Ni-Cd pesado demasiado para un dron que impulsaron para volar por mucho tiempo, si es que pudiera levantarse del suelo. Sin embargo, las baterías modernas de iones de litio ofrecen suficiente energía y potencia en un paquete liviano para hacer posibles los drones multirotor de hoy. Los futuros avances en la tecnología de baterías y capacitores permitirán drones aún más livianos y de mayor rendimiento.

Sensores:el sistema nervioso del dron

Los drones multirrotor se involucran en un delicado acto de equilibrio cada vez que vuelan . Si un motor proporciona demasiado empuje, el dron se inclinará o incluso se volteará. Al igual que el cuerpo humano utiliza una compleja red de sentidos y nervios para equilibrarse al caminar, los drones multirotor utilizan un impresionante conjunto de sensores y mecanismos de retroalimentación para permanecer en el aire. .

La policía y las fuerzas del orden utilizan drones para investigaciones de escenas de accidentes de tránsito, búsqueda de personas desaparecidas, localización de sospechosos, operaciones de rescate, detección de actividades ilegales u operaciones relacionadas con la seguridad pública o inconvenientes para la población, aseguramiento de áreas sensibles e investigaciones de la escena del crimen.

Las partes más vitales del "sistema nervioso" de un dron son sus sensores de inclinación . Combinando una combinación de sensores giroscópicos y acelerómetros, los sensores de inclinación están vinculados a circuitos de retroalimentación con los motores del dron.

Un dron en vuelo realiza constantemente pequeños ajustes en el empuje del motor para mantenerse nivelado, lo que le permite recuperarse de las corrientes de aire y las maniobras extremas. Algunos drones avanzados también puede inclinar cada rotor de forma independiente , lo que permite que el dron controle tanto la dirección como la fuerza del empuje que recibe de cada rotor.

Los drones también pueden emplear una variedad de otros sensores para monitorear sus sistemas internos y el mundo que los rodea. Sensores de corriente y voltaje ayuda al dron a rastrear la energía extraída de sus reservas de energía , ayudando a su piloto a saber cuándo es el momento de aterrizar y recargar.

GPS y sensores magnéticos ayuda en la navegación midiendo la ubicación y orientación del dron. Sensores de flujo de aire permite que los drones detecten la velocidad del aire o las corrientes de viento, y esa información se puede retroalimentar a sus circuitos de equilibrio para hacer que el vuelo del dron sea aún más estable.

Microcontroladores y cámaras:drones más inteligentes

Los mismos avances en tecnología de microchip que creó el teléfono inteligente moderno hacen posible que los drones sean computadoras voladoras . Muchos de los mismos chips que se pueden encontrar en teléfonos inteligentes (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm, etc.) también aparecen en drones.

A medida que los drones se vuelven más inteligentes, se vuelven capaces de asumir tareas más sofisticadas con menos control humano. . En la actualidad, esto significa que los drones pueden seguir rutas predeterminadas sin un piloto humano o registrar mediciones de una matriz de sensores aún mayor. Pero los investigadores están aprendiendo a programar drones para realizar tareas cada vez más complejas sin ayuda humana.

Para la mayoría de las personas, el único propósito de los drones es llevar una cámara a alturas que un ser humano no podría alcanzar de otro modo. . Incluso los drones básicos para consumidores llevan una cámara que transmite video a un teléfono inteligente o graba imágenes en la memoria.

Los estudios de cine utilizan drones de gama alta para rodar sus películas de gran presupuesto. Sin embargo, los avances en el campo de la "visión por computadora" están convirtiendo las cámaras en algo más que una carga útil o una ayuda para los pilotos humanos. Los drones del futuro utilizarán cámaras para ver el mundo que les rodea y usar esa información para pilotar ellos mismos.

Los drones son cada vez más capaces de volar sin la ayuda de un piloto humano o incluso GPS para navegar , y esto está dando lugar a una nueva y poderosa capacidad:los drones trabajando juntos. Los enjambres de drones anteriormente estaban compuestos por equipos de drones que usaban GPS y se comunicaban con un controlador central para determinar dónde encajaba cada individuo en el grupo.

Sin embargo, investigaciones de vanguardia han producido drones que utilizan sus propios sensores integrados, e incluso sus cámaras, para reconocer a otros drones y volar en formación. . Pronto, puede volverse común ver equipos de drones autónomos actuando como salvavidas , cuidando los cultivos , o volando en formaciones de búsqueda para ayudar en los esfuerzos de socorro en casos de desastre .

Tecnología con impacto global

Los drones parecen estar en todas partes ahora. Están filmando películas, protagonizando películas, ayudando a vender bienes raíces, transmitiendo deportes, creando nuevos deportes, trabajando en granjas y fábricas, cazando otros drones, y pronto pueden estar entregando paquetes . A medida que mejoren los materiales, la IA y los microcontroladores, los drones seguirán revolucionando una amplia gama de industrias. .

El futuro de los drones

Los drones son cada vez más populares y revolucionan la forma en que funciona y juega el mundo. Los materiales utilizados en los drones se seleccionan para mejorar el rendimiento con marcos de alta resistencia y alta capacidad de batería mientras se minimiza el peso.

Minimizar el peso de los drones maximiza su rendimiento , ya sea que se trate de hacer que un dron de cine pueda realizar tomas más largas o de hacer que un dron de carreras sea aún más maniobrable. Los drones también son cada vez más inteligentes y puede que no pase mucho tiempo antes de que los drones autónomos se conviertan en una parte inherente de la vida cotidiana.