¿De qué están hechos nuestros drones?
En procesos de fabricación la selección de materiales juega un papel importante que determina el rendimiento, seguridad, eficacia y vida útil deseada. Por tanto, el proceso de selección del material para nuestros cuadricóteros es fundamental para un buen diseño de nuestros modelos.
Para la fabricación de nuestro primer modelo "Buho v0" se buscó un material con buena relación resistencia-peso y que, además, se desempeñe adecuadamente bajo las condiciones ambientales de la ciudad. Inicialmente se preseleccionaron 4 materiales:
| Material | Tipo | Densidad (g/cm³) |
|---|---|---|
| Poliamida 12 (PA12) | Polímero termoplástico | 1.01–1.04 |
| Aleación de aluminio 7075-T6 | Aleación metálica | 2.81 |
| Polietileno tereftalato glicolizado (PETG) | Polímero termoplástico | 1.37 |
| Ácido poliláctico (PLA) | Polímero termoplástico | 1.24 |
Materiales preseleccionados y su densidad.
De estos cuatro materiales se priorizaron tres polímeros termoplasticos y una aleación de aluminio altamente usada en aplicaciones aeronauticas por su baja densidad, buena relación resistencia-peso y excelentes propiedades mecánicas. Teniendo en cuenta las condiciones de operación del cuadricoptero en un entorno costero como Cartagena de Indias se caracterizaron los materiales teniendo en cuenta varios factores como la corrosión por salinidad, conductividad térmica, su resistencia a la tracción, capacidad de absorción de agua debido a la humedad en la ciudad, tolerancia al calor por las altas temperaturas, la rigidez y resistencia estructural frente a vibraciones del vuelo y la viabilidad de fabricación.
| Propiedad | PA12 | PETG | PLA | Aluminio 7075-T6 |
|---|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | 45–55 | 45–100 | 42 | 510–570 |
| Densidad (g/cm³) | 1.00–1.04 | 1.18–1.37 | 1.24 | 2.81 |
| Módulo de Young | 1400 MPa | 2000–2700 MPa | 3000–3500 MPa | 71 GPa |
| Resistencia a la fatiga | Buena | Regular | Mala | Excelente |
| Morfología | Semi-cristalino | Amorfo | Semi-cristalino | Metálico |
| Temperatura de transición vítrea (°C) | 40–45 | 80 | 60 | — |
| Conductividad térmica (W/m·K) | 0.23 | 0.20–0.24 | 0.13–0.22 | 130–150 |
Comparación de propiedades de materiales preseleccionados.
Aunque la aleación de aluminio 7075-T6 presenta una de las mayores resistencias mecánicas su densidad es más o menos el doble de los polimeros por lo que haria el dron mucho más pesado, también como es muy rígido en comparación con los termoplásticos no ayuda a absorber las vibraciones de los motores/propulsores amplificando la resonancia sobre los componentes electrónicos como la cámara o los sensores.
Por otro lado, el aluminio posee una alta conductividad térmica, lo que facilita la transferencia de calor por conducción desde los motores y componentes electrónicos hacia la estructura pudiendo afectar los componentes electrónicos, sumado a su susceptibilidad a la corrosión en ambientes salinos si no se aplican recubrimientos, por lo que este material fue descartado.
Para corrobar las resistencias a la tracción del ácido poliláctico se tomaron varios ensayos de probetas a 20, 30 y 40% de densidad.
El PLA presenta una rigidez inicial aceptable. Sin embargo, su esfuerzo máximo a tracción en condiciones de impresión real se limita a aproximadamente 25 MPa, su higroscopía permite que el agua rompa sus cadenas poliméricas y acelere su degradación. Además, es frágil frente a vibraciones e impactos y presenta una pobre resistencia a la fatiga. Estas limitaciones comprometen su confiabilidad estructural, por lo que no resulta adecuado para un cuadricóptero operativo.
El PETG ofrece una resistencia al impacto superior al PLA pero posee un módulo elástico menor y como es un material amorfo se ablanda gradualmente a medida que la temperatura aumenta, osea que su resistencia mecánica disminuye notablemente con el calor, algo crítico en un ambiente cálido como Cartagena.
El Poliamida 12 o Nylon 12 destaca entre los polímeros evaluados por su equilibrio entre resistencia mecánica, baja densidad y excelente comportamiento en ambientes cálidos y húmedos. Al ser un material semicristalino, posee una estructura interna más ordenada que le otorga buena rigidez, alta resistencia a la fatiga y baja absorción de agua comparado con otros nylons, lo que es esencial para operar en Cartagena.
Sin embargo, aunque el PA12 ofrece una buena resistencia específica, su módulo de Young sigue siendo bajo para aplicaciones sometidas a vibraciones intensas e impacto como lo es la carrocería de un cuadricóptero. Por este motivo se seleccionó su variante reforzada con fibra de carbono (PA12-CF), la cual incrementa significativamente la rigidez y mejora ligeramente la conductividad térmica del filamento, lo que ayuda un poco más a la disipación de calor de los motores en comparación con el Nylon puro, esta variante de PA12 también mitiga las vibraciones, mejora la autonomía y aerodinámica de nuestro modelo ya que si los brazos vibran mucho el plano de rotación de la hélice cambia constantemente de ángulo. Esto genera fluctuaciones en el empuje y hace que el dron gaste más batería intentando estabilizarse.
Para la fabricación de la estructura se optó por medio de impresión 3D con un filamento SUNLU PA12-CF de 1.75 mm y 2.2 libras con excelente resistencia al impacto.
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| Composición | PA12 con 20% fibra de carbono |
| Secado previo y recocido post-impresión | Requerido |
| Velocidad de impresión | 60–100 mm/s |
| Tipo de impresora | Cerrada (Enclosure) |
| Resistencia a tracción (XY, 50 mm/min) | 100 MPa |
| Elongación a rotura (XY, 50 mm/min) | 12% |
| Resistencia a flexión (XY, 2 mm/min) | 163 MPa |
| Módulo de flexión (XY, 2 mm/min) | 5996 MPa |
| Resistencia al impacto (XY, 23°C) | 13 kJ/m² |
| Índice de fluidez (250°C / 2.16 kg) | 12 g/10 min |
| Resistencia térmica (HDT, 0.45 MPa) | 176°C |
Propiedades relevantes del filamento SUNLU PA12-CF.
Para constatar el desempeño mecánico del material se fabricaron dos probetas tipo ASTM D638 con densidades de 15%. Las piezas fueron impresas a 280 °C en la boquilla y con la cámara térmica de la impresora FUSED FORM estabilizada a 150 °C
Con este ensayo se obtuvo información experimental del esfuerzo máximo que soporta la probeta antes de su fractura, permitiendo determinar la resistencia última del material:
Las muestras ensayadas presentaron una carga promedio máxima de 2706.85 N alcanzada a una deformación de 5.136 mm. Considerando la sección calibrada de la probeta con 13 mm de ancho y 3.2 mm de espesor (área = $41.60\ \mathrm{mm}^2$ ), el esfuerzo último calculado es 65.07 MPa. Este valor corresponde a la tensión en la zona estrecha al momento de la fractura registrada por la máquina de ensayo.