Informe-Diseño-mecanico Drone

0

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE MECÁNICA

DISEÑO MECÁNICO ICM-381

Diseño mecánico Drone detector de incendios.

David ramos

Diego silva Ricardo Rabanal

1



Índice general

Índice de tablas ...........................................................................................................................................................3

Índice de figuras .........................................................................................................................................................4

1. Descripción del problema ...................................................................................................................................4

2. Lista de atributos ................................................................................................................................................5

3. Lista de necesidades del cliente .........................................................................................................................6

4. Organización de los atributos .............................................................................................................................6

1. Rendimiento ...................................................................................................................................................6

2. Aspecto ...........................................................................................................................................................7

3. Seguridad ....................................................................................................................................................7

4. Costos de mercado .....................................................................................................................................7

4.2 Ponderaciones ............................................................................................................................................7

5. Análisis funcional ................................................................................................................................................9

5.1 Árbol de objetivos ............................................................................................................................................9

5.2 Árbol de funciones ......................................................................................................................................... 10

5.3 Caja negra ...................................................................................................................................................... 10

5.4 Caja transparente .......................................................................................................................................... 11

6. Especificaciones de diseño .............................................................................................................................. 11

7. QFD .................................................................................................................................................................. 12

8. Matriz Triz ........................................................................................................................................................ 12

9. Benchmarking .................................................................................................................................................. 15

10. Búsqueda externa ........................................................................................................................................ 16

10.1 Patentes ....................................................................................................................................................... 16

11. Búsqueda interna ........................................................................................................................................ 19

11.1 Brainstorming .............................................................................................................................................. 19

12. Carta morfológica ........................................................................................................................................ 20

13. Generación de conceptos ............................................................................................................................ 21

14. Arquitectura del producto ........................................................................................................................... 23

15. Memoria de cálculo ..................................................................................................................................... 25

16. Selección de materiales ............................................................................................................................... 26

2



17. Proceso de fabricación ................................................................................................................................ 28

18. Análisis de costos ......................................................................................................................................... 29

19. Planos de fabricación ................................................................................................................................... 29

20. Conclusiones ................................................................................................................................................ 30

Referencias .............................................................................................................................................................. 31

3



Índice de tablas

Tabla 1. Pesos para cada atributo. .............................................................................................................................7

Tabla 2. Pesos para el atributo rendimiento. .............................................................................................................8

Tabla 3. Pesos para el atributo aspecto. ....................................................................................................................8

Tabla 4. Pesos para el atributo seguridad. .................................................................................................................8

Tabla 5. Pesos para el atributo costos de mercado. ...................................................................................................8

Tabla 6. Requerimientos de diseño del drone. ....................................................................................................... 11

Tabla 7. Benchmarking sobre drones del comercio. ............................................................................................... 15

Tabla 8. Búsqueda de patentes. .............................................................................................................................. 18

Tabla 9. Carta morfológica del drone. ..................................................................................................................... 21

Tabla 10. Generación de conceptos del drone. ....................................................................................................... 21

Tabla 11. Criterios de selección de los conceptos. .................................................................................................. 22

Tabla 12. Arquitectura del modelo. ......................................................................................................................... 23

Tabla 13. Masas y volúmenes del modelo. ............................................................................................................. 26

Tabla 14. Características materiales seleccionadas. ............................................................................................... 27

Tabla 15. Costos generales de fabricación .............................................................................................................. 29

4



Índice de figuras

Figura 1. Árbol de objetivos del drone. ......................................................................................................................9

Figura 2. Árbol de funciones del drone. .................................................................................................................. 10

Figura 3. Caja negra del drone. ................................................................................................................................ 10

Figura 4. Caja transparente del drone. .................................................................................................................... 11

Figura 5. Brainstorming del drone. .......................................................................................................................... 19

Figura 6. Vistas del diseño del drone. ...................................................................................................................... 24

Figura 7. Especificaciones físicas del cuerpo del Drone. ......................................................................................... 25

Figura 8. Selección de materiales utilizando el Software CES. ................................................................................ 27

1. Descripción del problema

5



Una de las grandes catástrofes que pueden afectar a la humanidad y a todo el ecosistema del

mundo entero, son los grandes incendios forestales ocurridos en bosques silvestres o parques forestales

protegidos. A medida avanza la tecnología se han creado vehículos aéreos capaces de expulsar agua como

medida de contraataque al perjudicial fuego que se come los bosques.

Aun así estos vehículos no sirven de mucho cuando el incendio ya se ha expandido lo suficiente debido a la

incapacidad de detectarlo a tiempo, es por eso que en el siguiente informe se busca diseñar un vehículo no

tripulado (llamado Dron) el cual tenga como función patrullar estos extensos bosques en busca de posibles

incendios o potenciales combustiones.

2. Lista de atributos

1. Altitud sobre 200 m

2. radio de detección de 500 m

3. Cierta ruta de detección

4. GPS integrado

5. Cámara de 10 Mpx

6. Cámara infrarroja

7. Control automático

8. Control remoto

9. Estabilidad aerodinámica

10. Liviano

11. Fibra de carbono

12. Variedad de colores

13. Vuelo mediante hélices

14. Disco duro de 128 gb

15. Energía híbrida

16. Sistema de recarga y alimentación

17. Autosustentable/auto recargable

18. Independiente

19. Inoxidable

20. A prueba de agua

21. Anti inflamable

22. Resistente a golpes

23. Transferencia de datos USB

24. Transmisión de datos en vivo

25. Bajo costo de producción

26. Bajo costo de mantenimiento

27. Bajo costo de repuestos

28. Tamaño

6



3. Lista de necesidades del cliente

Objetivos Funciones Restricciones

1. Variedad de colores 2. Vuelo mediante hélices 3. Energía híbrida 4. Autosustentable/auto

recargable 5. Independiente 6. Inoxidable 7. A prueba de agua 8. Anti inflamable 9. Resistente a golpes 10. Transmisión de datos en

vivo

1. Cierta ruta de detección 2. GPS integrado 3. Cámara de 10 Mpx 4. Cámara infrarroja 5. Control automático 6. Control remoto 7. Sistema de recarga y

alimentación 8. Transferencia de datos

USB

1. Altitud sobre 200 m 2. radio de detección de 500

m 3. Estabilidad aerodinámica 4. Liviano 5. Fibra de carbono 6. Disco duro de 128 gb 7. Bajo costo de producción 8. Bajo costo de

mantenimiento 9. Bajo costo de repuestos 10. Tamaño

4. Organización de los atributos

1. Rendimiento 1.1. Altitud sobre 200 m

1.2. Radio detección 500 m

1.3. Cierta ruta de detección

1.4. Gps integrado

1.5. Cámara de 10 mpx

1.6. Cámara infrarroja

1.7. Control automático

1.8. Control remoto

1.9. Estabilidad aerodinámica

1.10. Liviano

1.11. Fibra carbono

1.12. Vuelo mediante hélices

1.13. Disco duro de 128 Gb

1.14. Energía hibrida

1.15. Sistema de recarga y alimentación

1.16. Autosustentable/Auto recargable

1.17. Transferencia de datos usb

1.18. Transmisión de datos en vivo

1.19. Tamaño

7



2. Aspecto 2.1. Variedad de colores

3. Seguridad

3.1. Inoxidable

3.2. A prueba de agua

3.3. Anti inflamable

3.4. Resistente a golpes

4. Costos de mercado

4.1. Bajos costos de producción

4.2. Bajos costos de mantenimiento

4.3. Bajos costos de reparación

4.2 Ponderaciones

Criterio Rendimiento Seguridad Costos Aspecto Total peso

Rendimiento 1,00 4,00 4,00 8,00 17,00 0,55

Seguridad 0,25 1,00 1,00 4,00 6,25 0,20

Costos 0,25 1,00 1,00 4,00 6,25 0,20

Aspecto 0,13 0,25 0,25 1,00 1,63 0,05

, 31,13 1,00 Tabla 1. Pesos para cada atributo.

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

1.10

1.11

1.12

1.13

1.14

1.15

1.16

1.17

1.18

1.19 T Pr Pa

1.1 1,0

0 2,0

0 3,0

0 3,0

0 4,0

0 4,0

0 4,0

0 4,0

0 5,0

0 6,0

0 7,0

0 8,0

0 8,0

0 9,0

0 9,0

0 9,0

0 10,00

10,00

10,00

116,00

0,13

0,07

1.2 0,5

0 1,0

0 2,0

0 2,0

0 3,0

0 3,0

0 3,0

0 3,0

0 4,0

0 5,0

0 6,0

0 7,0

0 7,0

0 8,0

0 8,0

0 8,0

0 9,0

0 10,00

10,00

99,50

0,11

0,06

1.3 0,3

3 0,5

0 1,0

0 1,0

0 2,0

0 2,0

0 2,0

0 2,0

0 3,0

0 4,0

0 5,0

0 6,0

0 6,0

0 7,0

0 8,0

0 8,0

0 9,0

0 10,00

10,00

86,83

0,10

0,05

1.4 0,3

3 0,5

0 1,0

0 1,0

0 2,0

0 2,0

0 2,0

0 2,0

0 3,0

0 4,0

0 5,0

0 6,0

0 6,0

0 7,0

0 8,0

0 8,0

0 9,0

0 10,00

10,00

86,83

0,10

0,05

1.5 0,2

5 0,3

3 0,5

0 0,5

0 1,0

0 2,0

0 2,0

0 3,0

0 3,0

0 3,0

0 4,0

0 5,0

0 5,0

0 6,0

0 7,0

0 7,0

0 8,0

0 9,0

0 9,0

0 75,5

8 0,0

9 0,0

5

1.6 0,2

5 0,3

3 0,5

0 0,5

0 0,5

0 1,0

0 1,0

0 2,0

0 3,0

0 3,0

0 4,0

0 4,0

0 4,0

0 5,0

0 6,0

0 6,0

0 7,0

0 8,0

0 8,0

0 64,0

8 0,0

7 0,0

4

1.7 0,2

5 0,3

3 0,5

0 0,5

0 0,5

0 1,0

0 1,0

0 2,0

0 3,0

0 3,0

0 4,0

0 4,0

0 4,0

0 5,0

0 6,0

0 6,0

0 7,0

0 8,0

0 8,0

0 64,0

8 0,0

7 0,0

4

1.8 0,2

5 0,3

3 0,5

0 0,5

0 0,3

3 0,5

0 0,5

0 1,0

0 2,0

0 2,0

0 3,0

0 3,0

0 4,0

0 4,0

0 5,0

0 5,0

0 7,0

0 7,0

0 7,0

0 52,9

2 0,0

6 0,0

3

8



1.9 0,2

0 0,2

5 0,3

3 0,3

3 0,3

3 0,3

3 0,3

3 0,5

0 1,0

0 1,0

0 2,0

0 3,0

0 3,0

0 4,0

0 5,0

0 5,0

0 6,0

0 7,0

0 7,0

0 46,6

2 0,0

5 0,0

3

1.10

0,17

0,20

0,25

0,25

0,33

0,33

0,33

0,50

1,00

1,00

2,00

3,00

3,00

4,00

5,00

5,00

5,00

6,00

6,00

43,37

0,05

0,03

1.11

0,14

0,17

0,20

0,20

0,25

0,25

0,25

0,33

0,50

0,50

1,00

2,00

2,00

3,00

4,00

4,00

4,00

5,00

5,00

32,79

0,04

0,02

1.12

0,13

0,14

0,17

0,17

0,20

0,25

0,25

0,33

0,33

0,33

0,50

1,00

1,00

2,00

3,00

3,00

3,00

4,00

4,00

23,80

0,03

0,01

1.13

0,13

0,14

0,17

0,17

0,20

0,25

0,25

0,25

0,33

0,33

0,50

1,00

1,00

2,00

3,00

3,00

3,00

4,00

4,00

23,72

0,03

0,01

1.14

0,11

0,13

0,14

0,14

0,17

0,20

0,20

0,25

0,25

0,25

0,33

0,50

0,50

1,00

2,00

3,00

3,00

4,00

4,00

20,17

0,02

0,01

1.15

0,11

0,13

0,13

0,13

0,14

0,17

0,17

0,20

0,20

0,20

0,25

0,33

0,33

0,50

1,00

2,00

2,00

3,00

3,00

13,98

0,02

0,01

1.16

0,11

0,13

0,13

0,13

0,14

0,17

0,17

0,20

0,20

0,20

0,25

0,33

0,33

0,33

0,50

1,00

1,00

2,00

2,00 9,31

0,01

0,01

1.17

0,10

0,11

0,11

0,11

0,13

0,14

0,14

0,14

0,17

0,20

0,25

0,33

0,33

0,33

0,50

1,00

1,00

2,00

2,00 9,10

0,01

0,01

1.18

0,10

0,10

0,10

0,10

0,11

0,13

0,13

0,14

0,14

0,17

0,20

0,25

0,25

0,25

0,33

0,50

0,50

1,00

1,00 5,50

0,01

0,00

1.19

0,10

0,10

0,10

0,10

0,11

0,13

0,13

0,14

0,14

0,17

0,20

0,25

0,25

0,25

0,33

0,50

0,50

1,00

1,00 5,50

0,01

0,00

Total 879,

69 1,0

0 0,5

5 Tabla 2. Pesos para el atributo rendimiento.

4.1 Total Pr Pa

4.1 1,00 1,00 1,00 0,05

Total 1,00 1,00 0,05 Tabla 3. Pesos para el atributo aspecto.

2.1 2.2 2.3 2.4 T Pr Pa

2.1 1,00 3,00 4,00 6,00 14,00 0,50 0,10

2.2 0,33 1,00 2,00 4,00 7,33 0,26 0,05

2.3 0,25 0,50 1,00 3,00 4,75 0,17 0,03

2.4 0,17 0,25 0,33 1,00 1,75 0,06 0,01

Total 27,83 1,00 0,20 Tabla 4. Pesos para el atributo seguridad.

3.1 3.2 3.3 T Pr Pa

3.1 1,00 5,00 6,00 12,00 0,71 0,14

3.2 0,20 1,00 2,00 3,20 0,19 0,04

3.3 0,17 0,50 1,00 1,67 0,10 0,02

Total 16,87 1,00 0,20 Tabla 5. Pesos para el atributo costos de mercado.

9



5. Análisis funcional

Como este diseño se centra en la idea que el dron vuele, esa será su función principal. Además debe ser capaz

de detectar incendios en un radio de 500 metros, por lo que una de sus funciones importantes es la detección

de calor mediante cámaras infrarrojas. Por último, sirve de nada poder detectar una incendio si no es capaz de

transmitir un aviso al sector encargado de las alarmas incendiarias, por lo que debe poder transmitir alguna

señal o avisar de alguna manera el hallazgo de un posible incendio.

5.1 Árbol de objetivos

Figura 1. Árbol de objetivos del drone.

Rendimiento

• Altitud sobre 200 m

• Radio detección 500 m

• Cierta ruta de detección

• Gps integrado

• Cámara de 10 mpx

• Cámara infrarroja

• Control automático

• Control remoto

• Estabilidad aerodinámica

• Liviano

• Fibra carbono

• Vuelo mediante hélices

• Disco duro de 128 Gb

• Energia hibrida

• Sistema de recarga y alimentación

• Autosustentable/Auto recargable

• Transferencia de datos usb

• Transmisión de datos en vivo

• Tamaño

Aspecto

• Variedad de colores

Seguridad

• Inoxidable

• A prueba de agua

• Anti inflamable

• Resistente a golpes

Costos

• Bajos costos de producción

• Bajos costos de mantenimiento

• Bajos costos de reparación

10



5.2 Árbol de funciones

Figura 2. Árbol de funciones del drone.

5.3 Caja negra

Figura 3. Caja negra del drone.

Dron

Volar

Helices

motores

energia hibrida

Detectar

Camara infrarroja

Transmitir

Señal en vivo

Datos USB

Detectar incendios

Energía solar

Energía eléctrica

Señales de calor

Capacidad para

volar

Transmisión de

alertas

Señales de control

Capacidad para

moverse

11



5.4 Caja transparente

Figura 4. Caja transparente del drone.

6. Especificaciones de diseño Categoría Detalle Valor

Rendimiento Altitud 500 [m]

Velocidad Sobre 40 [km/h]

Peso

Geométrica Largo Mínimo 50 [cm]

Ancho Mínimo 50 [cm]

Alto Mínimo 40 [cm]

Energía Eléctrica 220 [V]

Solar -

Duración batería Mínimo 12 horas

Material Fibra de carbono -

Señal

Control de calidad

Se realizan pruebas de comprobación de detección, de vuelo y de transmisión de señal.

-

Tabla 6. Requerimientos de diseño del drone.

Energía

eléctrica

Energía Solar

Señales de

calor

Batería

Encendido

del motor

Cámara

digital

Cámara

Infrarroja

Giro de

hélices

Capacidad

para volar

Señales de

control

Control

remoto

Control

automático

Transmisión

de datos

Transmisión

de alertas

Capacidad

para moverse

12



7. QFD

Por razones de espacio, se adjunta la matriz QFD en un PDF aparte.

8. Matriz Triz 1) Velocidad - Peso

Descripción Solución

Característica que mejora

Velocidad -

Característica que empeora

Peso (y por ende densidad o tamaño) de las distintas partes del Drone

-

Solución 1 Extracción Quitar funciones innecesarias / secundarias

Solución 2 Estructura delgada Incorporar armazones flexibles y películas delgadas en vez de estructuras sólidas.

Solución 3 Disminuir la Calidad de las Funciones

Reemplazar los objetos que aumentan su tamaño al mejorar sus funciones (ej: cámaras, HDD) por similares de menor calidad/capacidad.

2) Facilidad de operación – Nivel de Automatización


Característica que mejora Facilidad de la operación del Drone

-

Característica que empeora Nivel de Automatización -

Solución 1 Segmentación - Dividir un sistema en partes - facilidad de unir o separar partes.

Solución 2 Equipotencialidad Rediseñar los objetos de ambiente para que las fuerzas sean eliminadas o balanceadas en el ambiente que lo rodea.

Solución 3 Calidad local

- Permitir que cada parte del sistema funcione bajo condiciones optimizadas en forma individual - Permitir que cada parte de un sistema u objeto cumpla diferentes funciones útiles

13



3) Reparación- Manufactura


Característica que mejora Facilidad de reparación -

Característica que empeora Precisión en la Manufactura -

Solución 1 flexibilidad Cambiar el grado de flexibilidad.

Solución 2 Materiales porosos Crear un objeto poroso o agrega elementos porosos.

Solución 3 Reacción preliminar

Cuando una acción causa efectos dañinos y útiles, preceder la acción con acciones opuestas o contrarias para reducir o eliminar los efectos dañinos.

4) Reparación- Manufacturabilidad



Característica que empeora Facilidad para la fabricación -

Solución 1 Acción preliminar Preparar con anticipación objetos o sistemas para que entren en acción en el tiempo y lugar más convenientes.

Solución 2 Autoservicio. Permitir que un objeto o sistema ejecute funciones o se organice por sí mismo.

Solución 3 Combinar. Unir o fusionar objetos, operaciones o funciones para que puedan actuar en conjunto al mismo tiempo.

14



5) Reparación - Precisión



Característica que empeora Precisión de la medida -

Solución 1 Acción preliminar Arreglar objetos con antelación de tal manera que entren en acción inmediatamente que sea necesario y en el lugar adecuado

Solución 2 Inversión Voltear un objeto “boca abajo” para que lleve su función

Solución 3 Extracción Separar o quitar la parte que genera el problema de contradicción

6) Operatividad - Estavilidad


Característica que mejora

Facilidad de operación -

Característica que empeora

Estabilidad de la composición del objeto -

Solución 1 Acción preliminar Introducir una acción útil en un objeto o sistema antes de que se necesite.

Solución 2 Combinar. Unir o fusionar físicamente objetos, operaciones o funciones idénticas o relacionadas.

Solución 3 Materiales compuestos

Cambiar materiales uniformes por compuestos donde cada materia se optimice a un requerimiento funcional específico.

15



7) Resistencia – Seguridad


Característica que mejora Resistencia -

Característica que empeora Seguridad -

Solución 1 Calidad local. Cuando un objeto o sistema sea uniforme u homogéneo convertirlo en no uniforme.

Solución 2 Sustitución de sistemas mecánicos.

- Sustituir un medio ya existente por otro haciendo uso de otro sentido (óptico, acústico, gusto, tacto). - Introducir campos eléctricos, magnéticos o electromagnéticos para interactuar con un objeto o sistema. - Cambiar de estático a móvil, de fijo a variable y/o desde campos desestructurados a estructurados.

Solución 3 Inversión

- Utilizar una o más acciones opuestas para resolver el problema (p. ej. en vez de enfriar un objeto, calentarlo). - Conviertir en móvil objetos fijos y fijar objetos móviles.

9. Benchmarking

Marca DJI DJI Ewatt -

Modelo Phantom 3 pro Inspire 1 Ewg-II Lazcar

Peso 1280 [g] 2300 [g] 11 [kg] 14 [kg]

Tipo de vuelo hélices hélices Alas alas

material Fibra carbono Fibra carbono Kevlar compuesto

Altura Max. 6000 [m] 4500 [m] 3000 [m] 3500 [m]

Velocidad Max. 55 [km/h] 75 [km/h] 65-110 [km/h] 80 [km/h]

Rango Tº 0 a 40º C 0 a 40º C (-)20 a 50º C -

Energía batería 4480 [mAh] batería 4480 [mAh] Motor gasolina motor eléctrico

tiempo vuelo 22 [min] 18 [min] 120 [min] 120 [min]

Cámara Video 12 Mpx video 4k no video

Precio CLP 1.089.000 2.030.000 150.000.000 - Tabla 7. Benchmarking sobre drones del comercio.

16



10. Búsqueda externa

10.1 Patentes

Función Numero de patente Descripción Vista previa

Volar/hélice US20110288696 Sistema de navegación para Drones son sensor de inclinación para estabilidad aérea

Batería 7906936 Cargador de

batería por inducción que permite la regulación de la tensión de salida

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US20090045944 Batería recargable con grupos de celdas en paralelo, separadas en grupos de celdas, que permite la conexión de cada uno de estos grupos al toma corriente, permitiendo una carga de mayor velocidad.

Detectar/cámaras

EP2472218A1 Detector de proximidad, a partir de óptica para evitar colisiones.

18



Movimiento US20130285780 Magnetómetro que permite el manejo automático de vuelo del drone

Protección WO/2015/036907A

1 Carcasa de drone de alta eficiencia y estabilidad.

Tabla 8. Búsqueda de patentes.

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11. Búsqueda interna

11.1 Brainstorming

Figura 5. Brainstorming del drone.

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12. Carta morfológica

Función Diseño 1 Diseño 2 Diseño 3

Modo de vuelo Con helices

Con sistema mixto

Con alas

Estructura Esqueleto

Futurista

helicoptero

Detección Camra de video

Camra infraroja

Sensor de movimiento

Control Control automatico

Control remoto (app celular)

Control remoto (joystick)

Energia Bateria de litio

Mini motor a combustion

Celdas fotovoltaicas

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Almacenamiento Disco duro

Nube

Datos

Tabla 9. Carta morfológica del drone.

13. Generación de conceptos

Teniendo tres soluciones distintas para cada tipo de función del dron, se comienza por crear tres posibles

conceptos a drone final a crear.

A modo de resumen y para que se tenga una mejor claridad, se presenta la siguiente tabla:

Concepto 1 Concepto 2 Concepto 3

Movimiento Solo hélices Solo alas Mixto

Estructura Futurista Helicóptero Helicóptero

Detección Solo cámara infrarroja Solo cámara infrarroja Video e infrarroja

Control Control automático Control automático Automático/Joystick

Energía Batería Batería Batería

Almacenamiento Disco duro Disco duro Disco duro Tabla 10. Generación de conceptos del drone.

Para el caso de la cámara de sensor de movimiento se optó por no incluirla en ninguno de los conceptos, ya que

gastaría recursos como memoria, almacenamientos, más peso, etc y no ayuda en mayor medida la detección de

posibles incendios forestales.

Para el caso del almacenamiento se optó solo por incluir discos duros a los conceptos, ya que es la manera más

eficiente de guardar los datos sin la necesidad de buscar una conexión inalámbrica de muy largo alcance.

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Para elegir el concepto más apropiado se realizó la siguiente selección de conceptos mediante

puntajes:

Criterio de selección

Peso absoluto (%)

Concepto 1 Concepto 2 Concepto 3

Import. Puntaje Import. Puntaje Import. Puntaje

Ren

dim

ien

to

1.1 7,20 4 28,81 4 28,81 5 36,01

1.2 6,18 4 24,71 4 24,71 5 30,89

1.3 5,39 5 26,96 5 26,96 5 26,96

1.4 5,39 5 26,96 5 26,96 5 26,96

1.5 4,69 0 0,00 0 0,00 5 23,46

1.6 3,98 5 19,89 5 19,89 5 19,89

1.7 3,98 5 19,89 5 19,89 5 19,89

1.8 3,29 0 0,00 0 0,00 5 16,43

1.9 2,89 5 14,47 5 14,47 5 14,47

1.10 2,69 5 13,46 4 10,77 2 5,39

1.11 2,04 5 10,18 5 10,18 5 10,18

1.12 1,48 5 7,39 0 0,00 5 7,39

1.13 1,47 5 7,36 5 7,36 5 7,36

1.14 1,25 0 0,00 0 0,00 0 0,00

1.15 0,87 5 4,34 5 4,34 5 4,34

1.16 0,58 5 2,89 5 2,89 5 2,89

1.17 0,57 5 2,83 5 2,83 5 2,83

1.18 0,34 5 1,71 5 1,71 5 1,71

1.19 0,34 4 1,37 4 1,37 2 0,68

Segu

rid

ad 2.1 10,10 5 50,50 5 50,50 5 50,50

2.2 5,29 5 26,45 5 26,45 5 26,45

2.3 3,43 5 17,13 5 17,13 5 17,13

2.4 1,26 5 6,31 5 6,31 5 6,31

Co

sto

s 3.1 14,29 4 57,15 5 71,43 3 42,86

3.2 3,81 4 15,24 5 19,05 3 11,43

3.3 1,98 4 7,94 5 9,92 3 5,95

Asp

ecto

4.1 5,22 5 26,10 5 26,10 5 26,10

Total 420,04 430,04 444,48 Tabla 11. Criterios de selección de los conceptos.

5 cumple completamente la función.

0 no la cumple.

Por lo tanto, el concepto elegido es el concepto 3. Lo fundamental de este concepto es que puede alcanzar

velocidades altas (mediante las alas) y puede mantenerse suspendido en el aire como un helicóptero (hélices).

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Esto le permite patrullar zonas más vastas en menos tiempo y permanecer quieto en caso de

encontrar posible fuego.

14. Arquitectura del producto

El diseño del producto consta de un cuerpo tipo avión con hélices y alas, las cuales se pueden girar, para que el

drone pueda levitar y planear a la vez. Las diferentes partes del modelo se detallan a continuación.

Componente Función Objetivo Restricciones

Alas Indispensable para el vuelo y velocidad del drone

Entregar una mayor velocidad de movimiento

No muy pesadas

Hélices Indispensable para el vuelo y estabilización del drone

Poder levitar en lugares de interés No muy grandes

Motores Hacer funcionar las hélices Entregar la rotación suficiente a las hélices para su correcto desempeño

No muy pesado

Hacer girar las alas Alternar entre avión/helicóptero haciendo girar las alas

No muy grande

Armazón Protección Entregar la resistencia al calor y los golpes que necesita el drone

Material resistente a los golpes

Material resistente al calor

Material liviano

Batería Energía del drone Entregar la energía necesaria para el funcionamiento de todos los componentes

Debe ser recargable vía corriente a 220 V

Duración mínima de 2 horas

Cámara de video

Capturar imágenes y video Poder grabar en vivo y detectar posibles incendios

Cámara de video de al menos 10 Mpx

Cámara infrarroja

Detectar posibles incendios Detectar focos de calor de posible fuego

No ser muy pesado

Tabla 12. Arquitectura del modelo.

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A continuación se presentan algunas vistas del diseño del concepto elegido.

Vista frontal del drone

Vista frontal del drone (alas giradas)

Vista superior del drone

Vista isometrica del drone (alas giradas)

Figura 6. Vistas del diseño del drone.

25



15. Memoria de cálculo

Primero que todo se procederá a calcular la masa del Drone.

La nave está compuesta por 8 hélices, un cuerpo, 2 alas grandes y 2 alas pequeñas. Como más adelante se verá,

el material para realizar estos cálculos es la fibra de carbono.

Utilizando el Software Autodesk Inventor profesional (el cual fue el que se usó para la creación del modelo) se

puede calcular la cantidad de volumen y masa del elemento 3D creado, como se muestra en la imagen:

Figura 7. Especificaciones físicas del cuerpo del Drone.

Esto se realizó para todos los demás elementos del drone, dando por consiguiente:

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Elemento Masa [kg] Volumen [𝑚𝑚3]

Cuerpo 10,885 7612174,943

Alas delanteras y hélices 12,356 8640579,581

Alas traseras y hélices 5,315 3716530,816

Total 28,556 19969285,34 Tabla 13. Masas y volúmenes del modelo.

Por lo que el peso total del drone, solo incluyendo el material es de 28,556 [kg].

16. Selección de materiales

Primero que todo, se necesitan ordenar los parámetros más críticos para la correcta selección de los materiales.

Como se mencionó anteriormente en la arquitectura del diseño, los paramétricos más críticos para el armazón y

los demás elementos funcionales son:

- Bajo peso

- Resistencia a los golpes

- Resistencia a la corrosión

- Resistencia al calor

En donde este último cumple una función indispensable ya que el drone lo que busca son incendios, y está

expuesto a la elevación de los gases calientes que estos provocan.

Para realizar este procedimiento, se utilizó el programa CES el cual puede acotar distintos materiales

dependiendo de las exigencias que se le pida.

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Figura 8. Selección de materiales utilizando el Software CES.

Como se puede observar, de todos los materiales hay algunos que cumplen todos los requisitos planteados

recientemente. Estos son:

- Aleaciones de magnesio

- Fibra de vidrio

- Fibra de carbono

Las características más detalladas de estos tres materiales se presentan en la siguiente tabla:

Propiedad Aleación de magnesio Fibra de vidrio Fibra de carbono

Densidad (𝑔/𝑐𝑚3) 1,95 2,58 1,43

Resistencia a la tracción (𝑀𝑝𝑎) 410 194 1050

Expansión térmica (𝜇𝑚/°𝐶) 28 5,4 4

Conductividad Térmica (𝑊 𝑚 ∙ 𝐾⁄ ): 126 1 2,6

Resistencia a rayos UV Media Alta Alta

Precio (𝑈𝑆𝐷/𝑘𝑔) 5,74 2 44,1 Tabla 14. Características materiales seleccionadas.

Según los datos, los materiales más óptimos para la realización del drone son la fibra de vidrio y la fibra de

carbono.

Como un punto muy importante que se debe tener en cuenta para la fabricación del dron es la resistencia al

calor, no queda más alternativa que fabricarlo de fibra de carbono, ya que es un material liviano, con alta

resistencia a la tracción y poca conductividad térmica, además de aguantar elevadas temperaturas.

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17. Proceso de fabricación

Como el material escogido es fibra de carbono, se tendrá que trabajar en el proceso de fabricación con este.

Este material no se puede tornear ni frezar ni modificar con algún tipo de proceso físico. La manera de fabricar

este tipo de compuestos es mediante una base (que corresponde a la fibra, como carbono o vidrio) a la cual se le

adhiere una resina, lo que provoca una reacción química que finaliza el material. Esta reacción química se deja

actuar a intemperie y se pueden usar catalizadores para aumentar su rapidez.

Cada hilo de filamento de carbono es un conjunto de muchos miles de filamentos de carbono. Uno de estos

filamentos es un tubo delgado con un diámetro de 5.8 micrómetros y se compone casi exclusivamente de

carbono.

Cada filamento de carbono es producido a partir de un polímero precursor. El polímero precursor es

comúnmente rayón, poliacrilonitrilo (PAN) o una resina derivada del petróleo.

Un método común de la fabricación consiste en calentar los filamentos PAN en una atmósfera con aire

(oxidación) a aproximadamente 300°C, que rompe muchos de los enlaces de hidrógeno y oxida la materia. El

PAN oxidado se coloca en un horno que tiene una atmósfera inerte de un gas como el argón, y se calienta a

aproximadamente 2000°C, lo que induce a la grafitización del material, cambiando la los enlaces de la estructura

molecular. Cuando se calienta en las condiciones adecuadas, estas cadenas se unen una al lado de la otra,

formando estrechas láminas de grafeno que con el tiempo se unen para formar un solo filamento cilíndrico. El

resultado es generalmente 93-95% de carbono.

Entonces, el proceso de fabricación será mediante conformado por contacto manual, en donde básicamente se

aplican fibras secas, mantas o tejidos, sobre un molde

y posteriormente se impregna con brochas, espátulas o con pistola. La polimerización se produce atemperatura

ambiente, con estufa en molde abierto o con posterior curado mediante tratamiento térmicoen autoclave con

bolsa de vacío. Inyección de resina mezclada con fibras cortas en moldes cerrados.

1. Hacer el molde, este puede ser de fibra de vidrio para ahorrar costos.

2. Recubrir el molde con cera desmoldante para que al final del proceso sea mas fácil retirar la fibra de

carbono.

3. Aplicar resina sobre el molde. Dependiendo del tipo de resina se debe calentar o no.

4. Recortar la fibra de carbono y aplicarla sobre el molde justo encima de la resina. Esto provocara que la fibra

se una con la resina y se forme el compuesto. Para aumentar el grosor basta con aplicar otra capa de resina y

sobre esta otra copa de fibra de carbono. Repetir el procesos hasta lograr el grosor deseado

5. Colocar el molde con la fibra y la resina dentro de una bolsa de polietileno y sellarlo (puede ser con cinta

adhesiva) colocando en un extremo de la bolsa el tubo de una aspiradora que quede bien sellado dentro de

la bolsa, al encender la aspiradora se creará un vacío.

http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/06/poliacrilonitrilo.html

29



6. Sellar la bolsa sin la aspiradora y se coloca en un lugar caliente durante el tiempo

especificado en el manual de la resina, esto para realizar el curado

7. Al haberse secado, se retira la fibra de carbono del molde. Una forma de hacerlo es colocando palancas que

ayuden a despegar con cuidado y otra forma es ingresando aire a presión por una pequeña abertura con lo

cual se desprenderá mucho más fácil.

Con esto, se logra fabricar la carcasa del drone. Los demás elementos se irán disponiendo a medida que se vaya

terminando el armazón.

18. Análisis de costos

Para finalizar la fabricación del prototipo, se realiza un análisis de los costos existentes. Primero que todo se

analiza los costos de cada parte por separado del dron.

Elemento Cantidad Costo unitario

Costo total

Motores hélices

8 55,9 447,2

Motor alas 1 35,9 35,9

Hélices 8 12 96

Gps 1 149,9 149,9

Cámara video

1 145 145

Cámara infrarroja

1 100 100

material 28 44,1 1234,8

Manufactura 1 100 100

Total 2308,8 Tabla 15. Costos generales de fabricación. La cantidad en “materiales” se encuentra en kg y la estimación de todo el

proceso de manufactura se estimó en 100. Los costos están en USD.

Cabe destacar que más de la mitad del costo de fabricación se debe al uso de la fibra de carbono. Si se hubiera

usado fibra de vidrio, el costo total seria de aproximadamente un 50% del actual, pero se decidió optar por este

material debido a sus eficientes resistencias a lo anteriormente descrito.

19. Planos de fabricación

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Tambien por temas de espacio se adjuntan los planos de fabricacion en formato PDF.

20. Conclusiones

En este proyecto se buscó diseñar un drone con el fin de encontrar posibles focos de incendios forestales. Para

esto, se siguió una serie de pasos con el fin de minimizar costos, tiempo, errores y maximizar la utilidad que este

prototipo pueda entregar a la sociedad.

Se llegó a un diseño final (véase figura 6) en donde se tienen en cuenta tipo de vuelo, tipo de energía utilizada,

material, etc.

Sin embargo, es el tipo de material el que más influye en el costo de fabricación.

Como este drone actuara muy cerca de grandes cantidades de masas de aire caliente, se tuvo que buscar el

material que mejor satisficiera dichas necesidades. Para esto se encontraron tres materiales: aleaciones de

magnesio, fibra de vidrio y fibra de carbono, en donde este último a pesar de su elevado costo de adquisición se

destaca por sobre los demás debido a sus excelentes propiedades mecánicas.

Es así, como entonces se optó por utilizar la fibra de carbono, debido a su alta resistencia al calor y demás

propiedades mecánicas.

El costo total de fabricación, incluido los procesos de manufacturas necesarios (como creación del molde,

pintura, proceso de creación del compuesto, etc) fue de $ 2038,8 USD. Cabe destacar como se dijo

anteriormente que si el material seleccionado hubiera sido fibra de vidrio, este valor seria solo del 50%

aproximadamente. Esto no es excluyente, ya que la fibra de vidrio también fue un material en discusión y no

podemos cerrarnos a la posibilidad de crear un drone con esas características mecánicas. Ademas en procesos

de manufactura y creación es muy similar a la fibra de carbono.

Finalmente

Anexos

- Matriz QFD

- Planos de fabricacion

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Referencias

- Venta de drones http://dronestore.cl/

- Venta de aviones no tripulados http://spanish.alibaba.com/p-detail/Ewg-ii-ala-fija-uav-aviones-no-

tripulados-300004570939.html

- Lazcar avión no tripulado http://www.udec.cl/panoramaweb2/2012/11/avion-no-tripulado-disenado-

por-la-udec-mostro-sus-capacidades/

- Creación matriz triz http://www.trizchile.com/creachile/matriz-triz40.html

http://dronestore.cl/

http://spanish.alibaba.com/p-detail/Ewg-ii-ala-fija-uav-aviones-no-tripulados-300004570939.html

http://spanish.alibaba.com/p-detail/Ewg-ii-ala-fija-uav-aviones-no-tripulados-300004570939.html

http://www.udec.cl/panoramaweb2/2012/11/avion-no-tripulado-disenado-por-la-udec-mostro-sus-capacidades/

http://www.udec.cl/panoramaweb2/2012/11/avion-no-tripulado-disenado-por-la-udec-mostro-sus-capacidades/

http://www.trizchile.com/creachile/matriz-triz40.html

Documents

Informe-Diseño-mecanico Drone