Dron de defensa y electrónica de UAV: cómo combatir el calor

Los drones, o vehículos aéreos no tripulados (UAV), son un buen ejemplo. Las aeronaves de este tipo pueden llevar a cabo tareas de inteligencia, vigilancia y reconocimiento (ISR). Se extienden desde sistemas compactos y portátiles hasta grandes plataformas a gran altitud. Al funcionar con diversos grados de autonomía, los drones de defensa proporcionan más eficiencia que las aeronaves tripuladas al eliminar la necesidad de soporte vital, un factor que facilita un mayor alcance, resistencia y flexibilidad táctica en entornos operativos exigentes.

Los TIM avanzados son cruciales para proteger los componentes electrónicos sensibles y gestionar el calor, lo que mejora la fiabilidad de los drones y contribuye a la seguridad y el éxito de la misión. Desde la perspectiva de la durabilidad, estos materiales avanzados están diseñados para mantener la funcionalidad durante ciclos de vida prolongados.

Los diseñadores de sistemas deben trabajar con un proveedor de TIM de confianza que pueda demostrar un historial probado en el desarrollo de soluciones de ingeniería a medida para necesidades de aplicaciones específicas.Las aplicaciones de drones de defensa suelen presentar poco margen de error. El rendimiento óptimo y la fiabilidad dependen de la gestión eficaz de la disipación de calor para mantener la integridad operativa de los componentes electrónicos sensibles a bordo, al tiempo que se protege al personal y al éxito de la misión.

Tomemos como ejemplo la aplicación en el mundo real de un fabricante líder de drones y UAV que necesitaba una solución de blindaje por inferencia electromagnética (EMI) y TIM para cumplir con las normativas de compatibilidad electromagnética (EMC) y maximizar el rendimiento y la fiabilidad de un nuevo dron. Cada nuevo dron que llega al mercado debe cumplir con las normativas de EMC antes del lanzamiento del producto. Estas normativas garantizan el uso seguro y sostenible de los drones.

Durante el desarrollo del fabricante de su último dron, las EMI dentro de la carcasa electrónica causaban fallas en el sistema debido a la operación cerca o alrededor de otra infraestructura electrónica. Dado que muchos conflictos modernos tienen lugar en entornos urbanos, es fácil que los drones militares se vean comprometidos por mástiles de telecomunicaciones, antenas, líneas eléctricas de alta tensión y otras fuentes potenciales de EMI.

La electrónica del dron también producía un exceso de calor debido a la alta potencia de procesamiento, por lo que el fabricante buscaba una solución de gestión térmica que ayudara a mejorar la fiabilidad y evitar fallos prematuros.

La clave de cualquier proyecto de este tipo es llevar a cabo una evaluación completa de los requisitos de diseño. En este caso, las demandas principales incluían una alta eficacia de blindaje de aproximadamente 80 dB para evitar que los circuitos eléctricos compartimentados internos se cruzaran y fallaran. También se requirió una jaula de Faraday para proteger la electrónica interna de los campos eléctricos externos. Además, era esencial para el fabricante beneficiarse de una mejor solución térmica para el procesador del conjunto de chips electrónico para permitir un funcionamiento eficiente del dron sin sobrecalentamiento.

Es importante destacar que el dron estaba diseñado para la producción en grandes volúmenes, por lo que el uso de la automatización en el proceso de fabricación resultaría claramente beneficioso para maximizar la productividad y minimizar los costos de montaje. Además, debido a las dimensiones compactas de la carcasa electrónica, el tamaño y el peso de cualquier material introducido fueron una consideración clave, ya que una masa excesiva podría comprometer el rendimiento del dron.

Otro requisito clave fue la exposición a una amplia gama de condiciones climáticas, como la lluvia o la niebla. La solución tenía que ser robusta y resistente a la corrosión. Por último, pero no menos importante, la aeronave claramente tenía que operar de manera efectiva y segura, por lo que la conexión constante entre el dron y el controlador era vital.

El equipo de diseño del fabricante trabajó con ingenieros expertos en aplicaciones de Parker Chomerics para idear una solución que ayudaría al dron a pasar las pruebas de susceptibilidad EMI/EMC.

De manera crítica, el equipo de diseño necesitaba reducir los niveles de radiación EMF y mitigar las fuentes de perturbaciones externas para fortalecer el diseño. Una junta EMI forma-in-situ (FIP) dispensada robóticamente llamada CHOFORM® 5575 (una silicona rellena de aluminio, plateada y curada con humedad que ofrece una eficacia de blindaje de hasta 80 dB) se dispensó directamente sobre la pieza fundida de aluminio del dron como una barrera para evitar que los diferentes circuitos eléctricos se crucen. El uso de una junta FIP permitió ahorrar un 50 % de espacio y peso en la carcasa, ya que las bridas pueden tener un ancho de tan solo 0,76 mm. La junta presenta una alta resistencia a la corrosión cuando se aplica sobre aluminio, lo que evita la corrosión galvánica en el recinto electrónico.

Para disipar el calor del conjunto de chips hacia la carcasa, fue necesario especificar un gel dispensable de alto rendimiento, de un solo componente y totalmente curado. En este caso, el material requería una consistencia pastosa espesa para facilitar la dispensación y la aplicación controladas en grosores variables. Otro factor importante fue la baja fuerza de compresión, lo que permitió que el material de interfaz térmica (TIM) se deformara bajo la presión de montaje sin someter a tensión a los componentes electrónicos, las uniones soldadas ni los conductores.

La solución llegó en forma de THERM-A-GAP™ GEL 35VT (conductividad térmica de 3,5 W/mK). Este material de gel térmico precurado de un solo componente ofrece una baja impedancia térmica, un atributo crucial para los TIM porque significa una eficiencia de transferencia de calor superior, lo que lleva a un mejor rendimiento, fiabilidad y longevidad del dispositivo al evitar el sobrecalentamiento.Con una impedancia térmica más baja, el calor se mueve más fácilmente a través de la interfaz entre un componente generador de calor y un disipador de calor, lo que evita los efectos perjudiciales de una regulación térmica deficiente y garantiza un funcionamiento constante. El sufijo “VT” en el nombre del producto significa “vibración/adherencia vertical”, ya que este material se probó exhaustivamente durante su desarrollo para resistir la vibración y el asentamiento vertical.

El gel reelaborable también proporciona una fuerza de compresión excepcionalmente baja para un rendimiento fiable en aplicaciones verticales o de gran holgura. Además, no se endurecerá, no se volverá quebradizo ni se agrietará durante su ciclo de vida.Este factor es crucial para los drones de defensa, que se espera que funcionen con un mantenimiento mínimo. Deben trabajar continuamente durante horas o días a la vez, a menudo durante muchos años o incluso décadas, mientras transportan potencialmente cientos o miles de libras de equipo de carga útil y vuelan a altas velocidades.

Cabe destacar que la fácil dispensación directamente en el conjunto de chips mediante la automatización reduce significativamente el tiempo de producción y los costos de fabricación.

En última instancia, los drones de defensa necesitan una gestión térmica para evitar el sobrecalentamiento de los componentes electrónicos internos, lo que puede causar fallos en el funcionamiento del sistema, fallos prematuros, rendimiento reducido, imprecisiones en los datos y una vida útil más corta. En resumen, la selección óptima del TIM proporciona una contribución importante a la fiabilidad de la misión crítica.

El rendimiento constante de los drones mediante el mantenimiento de la precisión y la integridad de los módulos de comunicación a bordo, los módulos de propulsión, los sensores y los procesadores es fundamental para tareas como ISR.Los sensores avanzados de LiDAR, radar, láser y ultrasonidos facilitan la prevención de colisiones y el posicionamiento preciso cuando se combinan con sensores GPS de control de ubicación y módulos de estabilización u orientación. Además, los sensores de tiempo de vuelo proporcionan detalles sobre el rendimiento del dron en relación con las condiciones ambientales, y estos datos serán útiles para futuros vuelos. También se implementan sensores adicionales, como imágenes, detección química, térmica o hiperespectral, en ciertas situaciones. Parte de esta tecnología puede recopilar datos internamente, procesar entradas y responder automáticamente o comunicarse en tiempo real con el operador.

Los drones de defensa realizan una gran cantidad de procesamiento de datos, que es una de las principales razones por las que requieren altos niveles de gestión térmica. La necesidad de que los ingenieros de diseño piensen detenidamente sobre sus opciones de TIM es evidente.

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