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Al-Hadithi, Basil MohammedAutor (correspondencia)

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10 de diciembre de 2025
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Artículo

Design and Validation of a 3D-Printed Drone Chassis Model Through Static and Transient Nonlinear FEM Analyses and Experimental Testing

Publicado en: DRONES. 9 (11): 789- - 2025-11-12 9(11), DOI: 10.3390/drones9110789

Autores:

Al-Hadithi, Basil Mohammed; Alcon Flores, Sergio
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Afiliaciones

Univ Politecn Madrid, Ctr Automat & Robot UPM CSIC, Intelligent Control Grp, C-J Gutierrez Abascal 2, Madrid 28006, Spain - Autor o Coautor
Univ Politecn Madrid, Sch Ind Design & Engn, Dept Elect, Elect, C-Ronda Valencia, 3, Madrid 28012, Spain - Autor o Coautor
Univ Politecn Madrid, Sch Ind Design & Engn, Dept Mech Engn, C-Ronda Valencia 3, Madrid 28012, Spain - Autor o Coautor
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Resumen

Highlights What are the main findings? A screwless FPV drone chassis with interlocking, interchangeable arms inspired by Japanese joinery was designed in Autodesk Inventor, analyzed through a hierarchical simulation philosophy combining global static analyses validated by simplified linear models, and nonlinear transient simulations for crash and maximum acceleration scenarios using Inventor Nastran. The structure was 3D printed in PETG as a rapid prototype to validate the design and analysis methodology, with planned production in carbon fiber to achieve final performance and durability goals. What are the implications of the main findings? The proposed design and validation workflow offer a comprehensive pathway for developing lightweight, crash-resilient sub-250 g UAVs. This approach bridges theoretical FEM modeling with real-world performance, enhancing the structural and functional reliability of micro aerial vehicles.Highlights What are the main findings? A screwless FPV drone chassis with interlocking, interchangeable arms inspired by Japanese joinery was designed in Autodesk Inventor, analyzed through a hierarchical simulation philosophy combining global static analyses validated by simplified linear models, and nonlinear transient simulations for crash and maximum acceleration scenarios using Inventor Nastran. The structure was 3D printed in PETG as a rapid prototype to validate the design and analysis methodology, with planned production in carbon fiber to achieve final performance and durability goals. What are the implications of the main findings? The proposed design and validation workflow offer a comprehensive pathway for developing lightweight, crash-resilient sub-250 g UAVs. This approach bridges theoretical FEM modeling with real-world performance, enhancing the structural and functional reliability of micro aerial vehicles.Abstract This work presents the structural analysis and validation of a sub-250 g FPV drone chassis, emphasizing both theoretical rigor and practical applicability. The novelty of this contribution lies in four complementary aspects. First, the structural philosophy introduces a screwless frame with interchangeable arms, joined through interlocking mechanisms inspired by traditional Japanese joinery. This approach mitigates stress concentrations, reduces weight by eliminating fasteners, and enables rapid arm replacement in the field. Second, validation relies on nonlinear static and transient FEM simulations, explicitly including crash scenarios at 5 m/s, systematically cross-checked with bench tests and instrumented flight trials. Third, unlike most structural studies, the framework integrates firmware (Betaflight), GPS, telemetry, and real flight performance, linking structural reliability with operational robustness. Finally, a practical materials pathway was implemented through a dual-track strategy: PETG for rapid, low-cost prototyping, and carbon fiber composites as the benchmark for production-level performance. Nonlinear transient FEM analyses were carried out using Inventor Nastran under multiple load cases, including maximum motor acceleration, pitch maneuvers, and lateral impact at 40 km/h, and were validated against simplified analytical models. Experimental validation included bench and in-flight trials with integrated telemetry and autonomous features such as Return-to-Home, demonstrating functional robustness. The results show that the prototype flies correctly and that the chassis withstands the loads experienced during flight, including accelerations up to 4.2 G (41. 19 m/s2), abrupt changes in direction, and high-speed maneuvers reaching approximately 116 km/h. Quantitatively, safety factors of approximately 5.3 under maximum thrust and 1.35 during impact confirm sufficient structural integrity for operational conditions. In comparison with prior works reviewed in this study, the key contribution of this work lies in unifying advanced, crash-resilient FEM simulations with firmware-linked flight validation and a scalable material strategy, establishing a distinctive and comprehensive workflow for the development of sub-250 g UAVs.
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Palabras clave

3d cad design3d printingAutonomous flightAutonomous navigationBetaflight firmwareCrash simulationFinite element method (fem)Fpv droneGps rescueHoover simulationInventor nastranNonlinear simulationReturn-to-homeStructural analysisSub-250 g uavThrust simulation

Indicios de calidad

Impacto bibliométrico. Análisis de la aportación y canal de difusión

El trabajo ha sido publicado en la revista DRONES debido a la progresión y el buen impacto que ha alcanzado en los últimos años, según la agencia WoS (JCR), se ha convertido en una referencia en su campo. En el año de publicación del trabajo, 2025, se encontraba en la posición 15/65, consiguiendo con ello situarse como revista Q1 (Primer Cuartil), en la categoría Remote Sensing.

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Impacto y visibilidad social

Desde la dimensión de Influencia o adopción social, y tomando como base las métricas asociadas a las menciones e interacciones proporcionadas por agencias especializadas en el cálculo de las denominadas “Métricas Alternativas o Sociales”, podemos destacar a fecha 2026-04-25:

  • El uso, desde el ámbito académico evidenciado por el indicador de la agencia Altmetric referido como agregaciones realizadas por el gestor bibliográfico personal Mendeley, nos da un total de: 17.
  • La utilización de esta aportación en marcadores, bifurcaciones de código, añadidos a listas de favoritos para una lectura recurrente, así como visualizaciones generales, indica que alguien está usando la publicación como base de su trabajo actual. Esto puede ser un indicador destacado de futuras citas más formales y académicas. Tal afirmación es avalada por el resultado del indicador “Capture” que arroja un total de: 14 (PlumX).

Con una intencionalidad más de divulgación y orientada a audiencias más generales podemos observar otras puntuaciones más globales como:

  • El Score total de Altmetric: 1.
  • El número de menciones en la red social X (antes Twitter): 2 (Altmetric).

Es fundamental presentar evidencias que respalden la plena alineación con los principios y directrices institucionales en torno a la Ciencia Abierta y la Conservación y Difusión del Patrimonio Intelectual. Un claro ejemplo de ello es:

  • El trabajo se ha enviado a una revista cuya política editorial permite la publicación en abierto Open Access.
  • Asignación de un Handle/URN como identificador dentro del Depósito en el Repositorio Institucional: https://oa.upm.es/92277/

Como resultado de la publicación del trabajo en el repositorio institucional, se han obtenido datos estadísticos de uso que reflejan su impacto. En términos de difusión, podemos afirmar que, hasta la fecha

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Análisis de liderazgo de los autores institucionales

Existe un liderazgo significativo ya que algunos de los autores pertenecientes a la institución aparecen como primer o último firmante, se puede apreciar en el detalle: Primer Autor (AL-HADITHI, BASIL MOHAMMED) y Último Autor (Alcon Flores, Sergio).

el autor responsable de establecer las labores de correspondencia ha sido AL-HADITHI, BASIL MOHAMMED.

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Objetivos del proyecto

Los objetivos perseguidos en esta aportación se centran en avanzar en el diseño y validación estructural de un chasis para drones FPV de menos de 250 g. Se pretende diseñar un chasis sin tornillos con brazos intercambiables mediante mecanismos de encaje inspirados en la carpintería japonesa tradicional. Además, se busca validar el diseño mediante análisis FEM no lineales estáticos y transitorios, incluyendo escenarios de choque a 5 m/s, complementados con ensayos experimentales en banco y vuelos instrumentados. Otro objetivo es integrar el análisis estructural con el rendimiento operativo real, incorporando firmware, GPS y telemetría. Finalmente, se pretende implementar una estrategia dual de materiales, utilizando PETG para prototipos rápidos y fibra de carbono para producción, asegurando así la resistencia y funcionalidad del chasis.
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Resultados más relevantes

Los resultados más relevantes de este estudio se centran en el diseño y validación estructural de un chasis para dron FPV de menos de 250 g. Primero, se desarrolló un chasis sin tornillos con brazos intercambiables basados en uniones japonesas tradicionales, reduciendo concentraciones de esfuerzo y peso. Segundo, se realizaron análisis FEM no lineales estáticos y transitorios, incluyendo escenarios de choque a 5 m/s y maniobras con aceleraciones hasta 4.2 G (41.19 m/s²), validados mediante pruebas de banco y vuelos instrumentados. Tercero, se integraron datos de firmware, GPS y telemetría para correlacionar la fiabilidad estructural con el rendimiento operativo. Finalmente, se implementó una estrategia dual de materiales: prototipos en PETG y producción en fibra de carbono, logrando factores de seguridad de 5.3 bajo empuje máximo y 1.35 en impactos, confirmando la integridad estructural.
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