Dron de ABS

Con el objetivo de diseñar un chasis con ABS, modificaremos los parámetros de entrada del diseño generativo para optimizarlo para materiales poliméricos.

12.1 Definición materiales

Material	Módulo de Young [GPa]	Módulo de Poisson	Tensión de fluencia [MPa]	Tipo
Orgasol® Invent Smooth - PA 12	1,68	0,4	47,0	Termoplástico
Rilsan® Invent Natural - PA 11	1,5	0,44	43	Termoplástico
ABS Plastic	2,24	0,38	20	Termoplástico
Acrylic	2,74	0,35	48,9	Termoplástico
Epoxy Resin	4,94	0,39	12,4	Termoestable
Nylon 6/6	2,93	0,35	82.75	Termoplástico
HP 3D HR CB PA 12	1,042	0,47	19,84	Termoplástico

• Orgasol® Invent Smooth - PA 12

Orgasol, como Rilsan son marcas comerciales. También se la conoce como nylon 12 , [(CH₂)₁₁C(O)NH]_n .La poliamida 12 es un termoplástico semicristalino de gran dureza y resistencia química es un excelente aislante eléctrico y es menos sensible a la humedad que otras poliamidas. PA12 se caracteriza por un buen nivel de resiliencia y resistencia a muchos productos químicos, y está ampliamente modificado con plastificantes y refuerzos. El nailon 12 tiene el valor de absorción de agua más bajo y es más fácil de procesar, pero posee propiedades mecánicas inferiores en comparación con PA6 y PA66

• Rilsan® Invent Natural - PA 11

Poliamida 11, citando a (Mexpolimeros [sin fecha]):

“El nylon 11 tiene solo un monómero, el ácido aminoundecanoico, tiene el grupo amina necesario en un extremo y el grupo ácido en el otro. Producida a partir de fuentes renovables (es lo único tecnopolímero de origen natural, se obtiene del aceite de ricino), la poliamida 11 tiene excelentes características mecánicas, con un módulo elástico que puede variar de 1200 MPa a 200 MPa, al tiempo que mantiene alta tenacidad a bajas temperaturas, incluso sin agregar elastómeros. Son excelentes las resistencias químicas que, junto con la excepcional flexibilidad intrínseca, la baja permeabilidad al gas y los hidrocarburos y la estabilidad dimensional, lo convierten en un excelente candidato para todas las aplicaciones en entornos agresivos. La alta relación entre los grupos -CH2- y -CONH- confiere la ventaja de una baja absorción de agua y la consiguiente estabilidad dimensional.

También es fácil de procesar y utiliza la mayoría de las tecnologías de procesamiento (extrusión, extrusión, moldeo por soplado, moldeo por inyección y moldeo por rotación). La matriz de poliamida11 aloja múltiples aditivos y agentes de relleno, como plastificantes, estabilizadores, colorantes, lubricantes, modificadores de impacto, fibra de vidrio, fibra de carbono, etc. La poliamida 11 tiene una amplia gama de temperaturas de trabajo (-40 ° C a + 130 ° C).”

• ABS

El acrilonitrilo butadieno estireno o ABS (por sus siglas en inglés Acrylonitrile Butadiene Styrene) Es un termoplástico amorfo, presenta alta tenacidad. Los bloques de acrilonitrilo proporcionan rigidez, resistencia a ataques químicos y estabilidad a alta temperatura, así como dureza.

Los bloques de butadieno, que es un elastómero, proporcionan tenacidad a cualquier temperatura. Esto es especialmente interesante para ambientes fríos, en los cuales otros plásticos se vuelven quebradizos.

El bloque de estireno aporta resistencia mecánica y rigidez.

• Acrílico

El nombre químico es polimetil metacrilato (PMMA). El PMMA fue inventado en 1933 por Otto Röhm, es un polímero termoplástico altamente transparente que se obtiene de la polimerización del monómero metilmetacrilato. En función de los aditivos puede tener una amplia gama de propiedades, transparencia dureza y resistencia a rasguños excelente resistencia a la radiación ultravioleta o gamma

• Epoxy Resin. La resina epoxi, porcelanato o cristal líquido es un polímero termoestable que pasa de estado líquido a sólido cuando se le aplica un endurecedor o catalizador. La resina epoxi más utilizada resulta de la mezcla de Bisfenol A y epiclorohidrina. Su uso más extendido es como matriz en los materiales compuestos o en la industria de los adhesivos, presenta excelente comportamiento a fatiga y a la corrosión, además de buenas propiedades mecánicas . Cuando polimeriza tiene una contracción leve, en contrapartida, se degrada con la radiación ultravioleta del sol.

• Nylon 6/6

El nylon 6,6 está hecho de dos monómeros, cada uno con 6 átomos de carbono, hexametilendiamina y ácido adípico, que le dan su nombre al nylon 6,6. alta resistencia mecánica, rigidez, buena estabilidad al calor o resistencia química. El Nylon 6-6 es el nailon más fuerte y el punto de fusión más alto así que se usa para algunas aplicaciones industriales. Viene en barras, tubos y hojas así que se le puede usar para aislar, para aislamiento acústico y para remplazar goma e incluso algunos metales

• HP 3D HR CB PA 12

Es el nombre de una un producto de la marca HP a base de nylon 12. Se emplea en impresoras 3D de fusión del hecho de polvo

11.2 Definición de objetivos.

En este estudio bajamos el coeficiente de seguridad a 1.5

También reduciremos las solicitaciones a las siguientes

Accion	Fx [N]	Fy [N]	Fz [N]	Mz [N m]
1	0	50	-100	0
2	10	50	50	0
3	50	10	-50	0
4	0	0	0	0,02
5	0	0	0	-0,02

12.3 Resultados

Solución 1 ABS

Solución 2 ABS

Solución 4 Acrílico

Solución 3 Nylon 6/6

Solución 5 Epoxy

Solución 13 HP PA12

Solución 11 Orgasol PA12

Solución 9 Rilsan PA11

Discusión resultados

Elegimos el resultado 2 Iteración 13 de ABS porque presenta un buen compromiso tensión de Von Mises/masa y desplazamiento total/masa

Otro factor a tener en cuenta para elegir este material es la disponibilidad de impresoras 3D capaces de imprimirlo. Ya que Puede usarse en impresoras de extrusión de filamento

13. Diseño chasis 4, ABS

13.1 Reutilización de componentes

Para la realización de este chasis reutilizaremos el cuerpo el chasis 1, para esto se realizarán las siguientes operaciones.

Copiamos en un nuevo archivo los componentes tapa superior, tapa inferior y brazos.

Utilizamos el script que viene por defecto en Fusion360 para cambiar el material de las piezas y las pasamos a plástico ABS.

A continuación, importamos en este archivo el archivo del brazo solución. Como las geometrías base para la obtención de ambas piezas fueron las mismas no es difícil desacoplar el soporte rotor mediante separación de volúmenes mediante superficies y reutilizarlo.

Realizamos la misma operación para el brazo de ABS y le sustraemos también el cuerpo original.

Le colocamos el soporte rotor mediante una operación de espejo de volúmenes, podemos hacer esto porque las cotas funcionales siguen siendo exactamente las mismas.

Excluimos hasta el plano medio para asegurar la interferencia con el cuerpo y realizamos dos operaciones espejo a la geometría para construir los cuatro brazos.

Unimos mediante operación booleana y sustraemos todo el volumen interior con una geometría auxiliar que convenientemente dejamos en el archivo

Tapa Inferior			Tapa superior
Área	595.237 cm^2		Área	240.003 cm^2
Densidad	1.06 g / cm^3		Densidad	1.06 g / cm^3
Masa	82.405 g		Masa	26.704 g
Volumen	77.74 cm^3		Volumen	25.192 cm^3
Material	ABS Plastic		Material	ABS Plastic
Aspecto	ABS (White)		Aspecto	ABS (White)
Caja Frontera			Caja Frontera
	Largo	19.884 cm		Largo
	Ancho	21.256 cm		Ancho
	Alto	4.462 cm		Alto

Por lo que el chasis 4 suma una masa total de 109,1 g

13.2 Construcción del conjunto

Como este chasis se compone de 2 piezas no podemos simularlo de manera separada, debemos generar un conjunto y definir una relaciones entre la base del chasis y la tapa. si bien en el chasis 1 dejamos un solo tornillo, si pretendemos comparar las solicitaciones de cabeceó alabeo y guiñada con los otros chasis debemos componer el conjunto de manera correcta. En esta ocasión haremos el análisis de elementos finitos con los cuatro tornillos. Si simulamos tornillos de plástico ABS Estaríamos repartiendo toda la tensión de cizalladura es muy poca superficie. Se decide poner tornillos de nylon 6 con una tensión de fluencia de 70,4 MPa en contraposición con los 20 MPa del plástico ABS.

Generamos los tornillos con el script antes mencionado y le asignamos una unión fija con la tapa superior:

Usamos un script que viene por defecto para asignar materiales a la geometrías.

Simulación Cabeceo

Se aplican dos fuerzas con las componentes que mostramos en el recuadro en cada soporte rotor.

Eje	Fuerza [N]
X	0 N
Y	50 N
Z	100 N

0 8

Tensión Von Mises

[MPa] 0 278.6

Tensión Principal 1ra

[MPa] -299.7 442.3

Tensión Principal 3ra

[MPa] -608 191.2

Desplazamiento Total

[mm] 0 35.14

Deformación equivalente

0 0.1885

Deformación Principal 1ra

-0.0003 0.1449

Deformación Principal 3ra

-0.2162 0.0003

Simulación Alabeo

Fuerza 1		Fuerza2
Eje	Fuerza [N]	Eje	Fuerza [N]
X	0 N	X	0 N
Y	0 N	Y	0 N
Z	200 N	Z	-200 N

0 8

Tensión Von Mises

[MPa] 0 243.4

Tensión Principal 1ra

[MPa] -100.5 345.9

Tensión Principal 3ra

[MPa] -344.9 112.3

Desplazamiento Total

[mm] 0 27.86

Deformación equivalente

0 0.1905

Deformación Principal 1ra

0 0.2017

Deformación Principal 3ra

-0.1762 -0

Simulación Guiñada

Momento 1		Momento 2
Eje	Momento [N m]	Eje	Momento [N m]
X	0	X	0
Y	0	Y	0
Z	15	Z	15

Coeficiente de seguridad

0 8

Tensión Von Mises

[MPa] 0 80.7

Tensión Principal 1ra

[MPa] -45.5 101.9

Tensión Principal 3ra

[MPa] -106.6 28.5

Desplazamiento Total

[mm] 0 11.37

Deformación equivalente

0 0.06002

Deformación Principal 1ra

-0.00009 0.0609

Deformación Principal 3ra

-0.05418 0.0001

En la simulación del alabeo, resulta interesante observar cómo el momento desplaza hacia la izquierda del cuerpo principal como se muestra la siguiente figura

En la siguiente instantánea se muestra la tensión a cizalladura YZ para comprobar cómo está trabajando el tornillo de nylon 6 en la solicitación de cabeceo.

Existen tensiones a lo largo de toda la pieza que superan ampliamente la tensión de deformación, esto se explica por el bajo módulo de Young así como la baja tensión de fluencia.

Material	Módulo de Young [GPa]	Módulo de Poisson	Tensión de fluencia [MPa]
ABS Plastic	2,24	0,38	20

En la simulación de guiñada, Observamos que se presentan concentraciones de tensiones en los nervios que se crearon en la Unión entre los brazos, Cómo se encuentran en la parte de abajo, tenemos margen para añadir más material y evitar radios de acuerdo pequeños.

Evaluándolo en su contexto, estamos aplicando cargas estáticas para simular las solicitaciones de servicio en vuelo, estas son creadas pon los pares y fuerzas que transmiten los motores al chasis, si el peso del total de la aeronave es bajo, las fuerzas de inercia que se produzcan por el cambio de trayectoria también lo serán. Y por supuesto las fuerzas de reacción que generarán los propulsores. Otro factor que explica que se haya sobrepasado las tensiones admisibles es que cuando optimizamos el algoritmo de diseño generativo para materiales plásticos redujimos en un orden de magnitud las solicitaciones.

El análisis de los desplazamientos máximos nos da una medida de la rigidez del chasis y de cómo se comportará ante las acciones de servicio:

Desplazamiento máximo [mm] - Acción de cabeceo	35,14
Desplazamiento máximo [mm] - Acción de alabeo	27,86
Desplazamiento máximo [mm] - Acción de guiñada	11,37

Observamos que los desplazamientos son considerables, entre 1 cm y 3,5 cm. Esto podrá crear inestabilidades en el vuelo.

Tabla resumen extremos de todas las acciones
Nombre	Mínimo	Máximo
Factor de seguridad	0.07178	15
Tensiones
Von Mises	0.004779 MPa	278.6 MPa
1er Principal	-299.7 MPa	442.3 MPa
3er Principal	-608 MPa	191.2 MPa
Normal XX	-353.4 MPa	281 MPa
Normal YY	-563.1 MPa	217.4 MPa
Normal ZZ	-370.8 MPa	431.1 MPa
Tangencial XY	-89.17 MPa	95.93 MPa
Tangencial YZ	-81.74 MPa	93.58 MPa
Tangencial ZX	-122.9 MPa	131.1 MPa
Desplazamiento
Total	0 mm	35.14 mm
X	-4.55 mm	8.201 mm
Y	-9.861 mm	8.855 mm
Z	-27.63 mm	35.08 mm
Fuerza de reacción
Total	0 N	36.79 N
X	-11.94 N	12.13 N
Y	-10.77 N	8.099 N
Z	-31.61 N	35.01 N
Deformación	Deformación	Deformación
Equivalente	Equivalente	Equivalente
Principal 1ra	Principal 1ra	Principal 1ra
Principal 3ra	Principal 3ra	Principal 3ra
Normal XX	-0.08355	0.09544
Normal YY	-0.1294	0.06054
Normal ZZ	-0.09848	0.1204
Tangencial XY	-0.1099	0.1182
Tangencial YZ	-0.1007	0.1153
Tangencial ZX	-0.1203	0.1616
Presión de contacto
Total	0 MPa	263.7 MPa
X	-131.3 MPa	130.8 MPa
Y	-105.7 MPa	114.3 MPa
Z	-182.3 MPa	235.5 MPa

Bibliografía

MEXPOLIMEROS, [sin fecha]. PA 11 poliamida. Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos [en línea]. [Consulta: 6 enero 2022]. Disponible en: https://www.mexpolimeros.com/pa11.html.