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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE MECÁNICA
DISEÑO MECÁNICO ICM-381
Diseño mecánico Drone detector de incendios.
David ramos
Diego silva Ricardo Rabanal
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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE MECÁNICA
DISEÑO MECÁNICO ICM-381
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
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DISEÑO MECÁNICO ICM-381
17. Proceso de fabricación ................................................................................................................................ 28
18. Análisis de costos ......................................................................................................................................... 29
19. Planos de fabricación ................................................................................................................................... 29
20. Conclusiones ................................................................................................................................................ 30
Referencias .............................................................................................................................................................. 31
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DISEÑO MECÁNICO ICM-381
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
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DISEÑO MECÁNICO ICM-381
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
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DISEÑO MECÁNICO ICM-381
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
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DISEÑO MECÁNICO ICM-381
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
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DISEÑO MECÁNICO ICM-381
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
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DISEÑO MECÁNICO ICM-381
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
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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
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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
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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
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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
Descripción Solución
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
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3) Reparación- Manufactura
Descripción Solución
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
Descripción Solución
Característica que mejora Facilidad de reparación -
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.
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5) Reparación - Precisión
Descripción Solución
Característica que mejora Facilidad de reparación -
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
Descripción Solución
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.
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7) Resistencia – Seguridad
Descripción Solución
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.
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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.
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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.
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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.
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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