Aplicación de materiales compuestos en el campo de los drones UAV
Debido a las diferencias en sus campos de aplicación y usos, existen diferencias significativas entre los vehículos aéreos no tripulados (VANT) y las aeronaves convencionales en cuanto a materiales de fabricación y estructuras. Al diseñar una aeronave, la prioridad debe ser el transporte de personas, y existen normas y requisitos específicos para la seguridad de la estructura y la capacidad de carga de los materiales. Sin embargo, los drones no requieren considerar la seguridad de las personas y ofrecen mayor libertad en el diseño de la estructura y los materiales de fabricación. Los materiales compuestos presentan un mejor rendimiento en términos de rigidez, resistencia, resistencia sísmica y a la fatiga, y coeficiente de dilatación térmica, por lo que son los materiales preferidos para la fabricación de VANT.
(1) Partes de aplicación de materiales compuestos para vehículos aéreos no tripulados
- Componentes estructurales: La estructura principal, las alas, los estabilizadores verticales y otras partes del dron pueden fabricarse con materiales compuestos. Estos materiales son ligeros, resistentes, presentan buena resistencia a la fatiga y a los impactos, lo que confiere a los vehículos aéreos no tripulados una mayor vida útil y un mejor rendimiento de vuelo.
- Compartimento del motor: Los componentes principales de los vehículos aéreos no tripulados, como motores y controladores, también pueden protegerse con materiales compuestos. Estos materiales ofrecen un buen apantallamiento electromagnético, reducen eficazmente las interferencias electromagnéticas y garantizan el funcionamiento estable de los sistemas eléctricos del vehículo aéreo no tripulado.
- Material de disipación de calor: Los drones generan una gran cantidad de calor durante el vuelo, y los materiales compuestos pueden utilizarse para fabricar aletas de disipación de calor que ayuden a los drones a disipar el calor de manera efectiva y garanticen el funcionamiento normal del equipo.
- Sistema de combustible: La aplicación de materiales compuestos en los sistemas de combustible de vehículos aéreos no tripulados está adquiriendo cada vez mayor importancia. Por ejemplo, los tanques de almacenamiento de hidrógeno compuestos pueden utilizarse para almacenar hidrógeno gaseoso como fuente de energía para drones.
- Carcasa de sensores: Los drones necesitan estar equipados con diversos sensores, como GPS, barómetro, giroscopio, etc. Se pueden utilizar materiales compuestos para crear carcasas ligeras y de alta resistencia, que protejan los sensores de las influencias ambientales externas y garanticen su precisión y estabilidad.
(2) Análisis del proceso de fabricación de componentes compuestos para drones
- Proceso de moldeo por prensado en caliente
El proceso de moldeo por prensado en caliente permite obtener componentes compuestos para vehículos aéreos no tripulados (VANT) con una calidad interna y externa excelentes, un contenido uniforme de resina y propiedades mecánicas sobresalientes. Por ello, se ha convertido en el proceso preferido para la fabricación de componentes compuestos, especialmente en aquellos que soportan cargas importantes y cumplen con los altos requisitos de velocidad de los VANT. La principal desventaja del moldeo por prensado en caliente radica en su baja rentabilidad, reflejada principalmente en sus elevados requisitos de maquinaria, inversión inicial y costes de procesamiento, lo que limita en cierta medida la popularización de esta tecnología. Por consiguiente, en aras de la rentabilidad, la tecnología de moldeo a baja temperatura y baja presión suele sustituirse fácilmente en la fabricación de drones.
- Proceso de formación de bolsas al vacío
Las ventajas de la tecnología de termoformado por vacío son su alta rentabilidad, la obtención de resultados de fabricación óptimos con una inversión mínima y la facilidad de operación, lo que facilita su popularización e implementación. Su inconveniente radica en la presión de moldeo relativamente baja, por lo que su aplicación se centra principalmente en componentes de materiales compuestos con requisitos de calidad relativamente bajos. En cuanto a su ámbito de aplicación, esta tecnología es bastante común en la fabricación de materiales compuestos para vehículos aéreos no tripulados pequeños de baja velocidad. Respecto a los métodos operativos, existen dos técnicas principales: la aplicación de material preimpregnado y la aplicación en húmedo. En términos de eficacia operativa, el recubrimiento adhesivo de los componentes compuestos obtenido mediante el proceso de aplicación de material preimpregnado es uniforme, con buena estabilidad y calidad.
- Proceso de moldeo por compresión
Las ventajas del proceso de moldeo por compresión son su alta eficiencia de producción, facilidad de operación, buena relación costo-beneficio, alta presión de moldeo y la capacidad de equilibrar los costos de entrada y la calidad de salida en la fabricación de drones. En cuanto a su ámbito de aplicación, este proceso se utiliza principalmente en la fabricación de componentes compuestos para la estructura tipo sándwich de espuma de vehículos aéreos no tripulados (UAV). Desde la perspectiva del proceso operativo, el moldeo se divide en dos etapas: ① producción del núcleo de espuma y revestimiento exterior, ② moldeo, prensado y curado. En la práctica, el uso de este proceso en los componentes de material compuesto de los paneles de las alas de los drones ha mejorado significativamente la estética y la precisión de las mismas. Además, es fundamental seleccionar adecuadamente la máquina de compresión para garantizar un resultado óptimo del proceso de moldeo por compresión.
- Tecnología de conformado a baja temperatura
Las ventajas de la tecnología de moldeo a baja temperatura son un coste de proceso relativamente bajo y un consumo energético controlable. Permite curar resinas poliméricas a 60-80 °C, lo que la convierte en un complemento eficaz al proceso actual de moldeo por prensado en caliente. En cuanto a su aplicabilidad, esta tecnología no solo ofrece una alta tolerancia dimensional para componentes compuestos, sino que también permite curar y dar forma a materiales compuestos directamente a temperatura y presión ambiente. Por ello, se utiliza ampliamente en diversos tipos de drones. En términos de eficacia operativa, en comparación con los productos fabricados mediante tecnología de moldeo a alta temperatura, la tecnología de moldeo a baja temperatura reduce significativamente el coste de fabricación de vehículos aéreos no tripulados, garantizando al mismo tiempo una excelente calidad de los componentes compuestos. Además, para obtener buenos resultados con la tecnología de moldeo a baja temperatura, es necesario prestar atención a la mejora continua de las resinas y los preimpregnados para moldeo a baja temperatura.
(3) Proporción de materiales compuestos para vehículos aéreos no tripulados
La estructura principal y los componentes de las alas de los drones suelen estar fabricados con materiales ligeros y de alta resistencia, como materiales compuestos y aleaciones de aluminio. Estos materiales son relativamente caros, pero su ligereza resulta beneficiosa para mejorar el rendimiento de vuelo de los drones. El coste de los materiales estructurales representa entre el 20 % y el 30 % del total.
La proporción de peso de los materiales compuestos en las estructuras de drones varía según el tipo, el tamaño y el escenario de aplicación del dron. En general, esta proporción puede alcanzar el 50 % o incluso más. A continuación, se presenta una estimación aproximada:
Vehículos aéreos no tripulados pequeños: En los vehículos aéreos no tripulados pequeños, la proporción de materiales compuestos utilizados es relativamente alta, llegando a representar entre el 70 % y el 80 % del peso total. Esto se debe a que los drones pequeños suelen emplear materiales ligeros para mejorar su rendimiento de vuelo, mientras que los materiales compuestos ofrecen alta resistencia y rigidez, lo que permite cumplir con los requisitos estructurales de estos vehículos.
Drones de tamaño mediano: La proporción de materiales estructurales en los drones de tamaño mediano es relativamente baja, y los materiales compuestos representan entre el 50 % y el 60 % del peso. Esto se debe a que los drones de tamaño mediano pueden necesitar transportar más cargas, como combustible, sensores y cargas útiles, por lo que la selección de materiales estructurales se centra más en el equilibrio entre rendimiento y peso.
Vehículos aéreos no tripulados de gran tamaño: La proporción de materiales compuestos en la estructura de los vehículos aéreos no tripulados de gran tamaño puede ser relativamente baja, entre un 30 % y un 40 %. Esto se debe a que estos vehículos utilizan principalmente materiales estructurales pesados, como aleaciones de aluminio y titanio, para soportar mayores cargas y fuerzas de viento. Además, los drones de gran tamaño suelen tener más espacio para combustible, equipos y personal, por lo que la proporción de materiales compuestos utilizados es relativamente baja.