3D-печать дронов и квадрокоптеров

Если вы хотите построить напечатанный на 3D-принтере дрон с нуля или добавить детали к квадрокоптеру, ознакомьтесь с информацией о том, как заставить ваши отпечатки летать!

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА), известные как дроны — это аппараты, способные работать в автономном режиме. Беспилотник — это не только летательный аппарат; это может быть автомобиль, лодка или даже судно на воздушной подушке. Однако этот термин стал обозначать летательный аппарат с тремя и более пропеллерами, которые обеспечивают подъемную силу и тягу. Их также принято называть мультироторами или квадрокоптерами.

В целом БПЛА очень просты с точки зрения механики и состоят из рамы, полетного контроллера, двигателей, пропеллеров, регуляторов скорости и, возможно, оборудования с видом от первого лица (FPV).

3D-печать не чужда полетам. Для любительских дронов 3D-печать может стать отличным способом изготовления различных деталей. Это могут быть любые детали, начиная от защитных бамперов и креплений для камер и заканчивая дополнительными устройствами, которые обеспечивают большую функциональность.

В этой статье мы расскажем о том, что нужно иметь в виду при 3D-печати деталей для дронов, включая типы деталей для печати, а также о том, где найти модели и ресурсы. В заключение мы расскажем о нескольких проектах, которые помогут вам начать. Но прежде всего, зачем вам 3D-печать деталей для беспилотников? Читайте дальше, чтобы узнать!

Преимущества

3D-печать собственных деталей дрона позволяет создавать индивидуальные конструкции, отвечающие конкретным требованиям дизайна. Эти детали можно быстро доработать от первоначальной концепции до окончательной версии, что позволяет быстро создавать прототипы и проводить испытания.

Помимо того, что 3D-печать деталей и аксессуаров для беспилотников обычно обходится недорого (при условии, что у вас уже есть 3D-принтер и некоторое количество филамента), у нее есть и другие преимущества:

• Экономичность: Хотя первоначальные инвестиции в 3D-принтер и нити необходимы, 3D-печать в целом обходится дешевле, чем покупка новых деталей в розничной торговле.
• Легкая конструкция: 3D-печатные детали могут быть оптимизированы для снижения веса путем изменения таких параметров, как периметр и процент заполнения, в результате чего получаются более легкие дроны с улучшенными характеристиками.
• Создание деталей по необходимости: Если деталь сломалась, то при условии, что у вас уже есть филамент и принтер, 3D-печать обеспечивает немедленное производство по требованию без необходимости ждать доставки или посещать физический магазин. Несмотря на то, что многие розничные магазины предлагают быструю доставку, она, скорее всего, не будет быстрее (или настолько же приятной, как) самостоятельная печать детали.
• Множество вариантов филаментов и цветов: Детали могут быть напечатаны из различных филаментов и в различных цветах, что позволяет пользователям выбрать наиболее подходящий филамент с оптимальными механическими свойствами для конкретного применения.

Теперь, когда вам не терпится нагреть печатный стол, давайте рассмотрим некоторые моменты, которые помогут вам понять несколько важных вещей, прежде чем взлететь в небо!

Рекомендации

Хотя 3D-печать упрощает создание и настройку собственных дронов, важно помнить о некоторых факторах, которые могут повлиять на качество, легальность и функциональность конечного продукта. Одним из самых важных факторов является вес деталей, а также материал. Важно выбрать прочный и гибкий материал, так как детали, не обладающие гибкостью, скорее всего, сломаются.

Итак, давайте подробнее рассмотрим эти аспекты!

Материал

Когда речь заходит о выборе материала для деталей дрона, наиболее распространенными вариантами являются ABS, полипропилен (PP) и PETG. PLA известен своей простотой в использовании и низкой стоимостью, но ему не хватает прочности и долговечности, необходимых для большинства деталей дронов. ABS обладает большей прочностью и термостойкостью, чем PLA, что делает его подходящим для некоторых деталей дронов, таких как рама вокруг батареи и двигателей, но он может деформироваться во время печати. PP — легкий и гибкий материал, но он может не обеспечивать структурную целостность, необходимую для некоторых компонентов. PETG обеспечивает хороший баланс прочности и гибкости, что делает его подходящим для различных компонентов дронов, особенно тех, которые подвергаются ударам или вибрациям.

Материалы из углеродного волокна, с другой стороны, обеспечивают повышенную прочность и жесткость, что идеально подходит для высокопроизводительных рам дронов и других деталей, требующих жесткости и долговечности. В частности, заказные рамы выиграют от печати из нейлона, армированного углеродным волокном. Однако этот материал может быть немного дороговат.

Другим популярным материалом, особенно для миниквадрокоптеров, является TPU. Он очень гибкий и может деформироваться при ударе, поглощая энергию и защищая окружающие компоненты. Поскольку он гибкий, он также может поглощать вибрацию, уменьшая ее количество на записанных дроном кадрах. К счастью, эта проблема стала менее актуальной благодаря использованию внутрикамерной стабилизации. Будь то OIS (оптическая стабилизация изображения) или EIS (электронная стабилизация изображения), она становится стандартной функцией большинства камер дронов. В противном случае вы всегда можете добавить карданный шар, чтобы уменьшить размытость фотографий и записать более плавные кадры.

Кроме того, энтузиасты дронов рассматривают гибкие и прочные смолы в качестве новых материалов. Эти смолы, как правило, более детализированы и эффективны, чем TPU, поскольку опоры можно быстро удалить. Использование смолы может потенциально снизить вес, если использовать особый рисунок наполнителя и низкую плотность, а не печатать все сплошным слоем. Однако при низких температурах даже гибкие и прочные смолы становятся хрупкими.

Вес

Хотя 3D-печать открывает целый мир возможностей в плане дополнительных функций, самое главное, о чем следует помнить, — это вес вашего летательного аппарата. Не все, что можно напечатать и установить в 3D, стоит делать! Каждый грамм на самолете влияет на время полета и характеристики, особенно на винтокрылых машинах. Поэтому на летательном аппарате, предназначенном для длительных полетов, не обязательно устанавливать крепление GoPro, головной трекер и механизм сброса.

Кроме того, такие компании, как DJI, продающие БПЛА и подобные летательные аппараты, обычно поставляют все необходимые крепления и аксессуары. Дополнительные 3D-печатные детали не требуются, так как они просто добавят веса.

Типы деталей

Хотя вы, конечно, можете напечатать целый дрон, мы начнем с изучения различных типов деталей для дронов и квадрокоптеров. Это позволит вам легко заменять поврежденные компоненты или персонализировать свои дроны с помощью индивидуальных деталей. Если вы заинтересованы в 3D-печати всего дрона, мы также дадим несколько рекомендаций, которые помогут вам в дальнейшем.

Рама

Основные части рамы дрона, включая бамперы, крепления для камеры, антенны и пропеллера, лучше всего печатать из TPU. Рама — это просто основа, к которой крепятся руки дрона, и в ней размещаются основные электрические компоненты, включая аккумулятор. Вы можете рассмотреть раму дрона в этом видео для 3D-печатаемого дрона MK-3.

Хотя для небольших дронов обычно рекомендуется 3D-печать рамы, так как она испытывает большие нагрузки, вы всегда можете выбрать углепластик или, как советуют опытные создатели, «просто купить углепластиковую раму». После того как модель будет признана готовой, ее можно напечатать из более дорогого материала, например из нейлона с углеродным волокном или даже, если цена не является проблемой, из углеродного волокна PEEK.

Один из способов защитить нижнюю часть рамы и болты двигателя — добавить 3D-печатные «ножки». Они особенно полезны при полетах над такими поверхностями, как бетон. Хотя вы можете напечатать ноги из TPU, устойчивость к истиранию будет не такой хорошей, как при печати из нейлона, армированного углеродным волокном.

Пропеллеры и плавники

Если вы любите гонять на квадрокоптерах, вам стоит убедиться, что у вашего дрона есть верхние плавники, которые часто называют «акульими плавниками». Они помогают в режиме, известном как «черепаха». При посадке перевернутого летательного аппарата два мотора можно перевернуть, что позволит вам снова взлететь (и завершить гонку). Эти плавники обычно печатаются из TPU и иногда из нейлона.

Хотя эти детали могут увеличивать вес, они повышают стабильность полета за счет улучшения аэродинамики (если вы учитываете это при проектировании), способствуют эстетике дрона, а также могут служить точками крепления для антенн. Кроме того, они могут способствовать охлаждению компонентов дрона, эффективно рассеивая тепло.

В репозиториях доступно всего несколько 3D-моделей плавников для дронов, но вы всегда можете вдохновиться ими и разработать свой собственный дизайн. Некоторые хорошие модели, на которые стоит обратить внимание, — это акульи плавники для iFlight iX5 и RC Crazed 4″ Slim Phast drone, которые являются гоночными FPV дронами.

С другой стороны, обязательной деталью для всех дронов являются пропеллеры. Как и плавники, они в основном специфичны для дронов и должны быть разработаны на заказ. Хорошим примером может послужить YouTube-урок от CASS Designs по изготовлению пропеллеров на заказ для DJI Tello. При этом некоторые пропеллеры могут использоваться на большинстве дронов и требуют лишь небольшой доработки.

Кроме того, существуют тороидальные пропеллеры, которые характеризуются торообразным профилем. Согласно статье Массачусетского технологического института, этот тип конструкции дает потенциальные преимущества в плане снижения шума, стабильности и настройки по сравнению с традиционными конструкциями пропеллеров.

Крепления для антенн и камер

Если вы летаете на FPV-дроне, антенны видеопередатчика имеют огромное значение, поскольку они обеспечивают передачу видеосигнала с камеры дрона на очки или монитор пилота. Эти антенны обеспечивают надежное и стабильное соединение, позволяя пилоту эффективно управлять дроном и наслаждаться беспрепятственным FPV-полетом.

Помните, что по закону вы должны оставаться в пределах прямой видимости. Для этих целей обычно выбирают материал TPU, поскольку он очень эластичен и может деформироваться без повреждений. Однако, если ваш дрон предназначен для полетов на дальние расстояния, закрывать активную часть антенны в TPU не стоит, так как это негативно скажется на видеосигнале.

Крепления для антенн стратегически расположены на раме дрона для максимального покрытия сигнала и минимизации помех. Вы найдете их в различных конструкциях, включая фиксированные и регулируемые крепления, позволяющие настроить размещение антенны в соответствии с вашими конкретными потребностями. Кроме того, крепления для антенн могут включать такие функции, как гашение вибраций, для дальнейшего улучшения качества сигнала и стабильности во время полета.

Несмотря на то, что можно легко приобрести крепления для камер популярных дронов и камер (DJI, Xiaomi и т.д.), а также комплекты для дронов, вам, вероятно, придется внести небольшие изменения в существующие крепления для камер, чтобы они подошли к вашему дрону FVP.

Кроме того, можно включить функцию FPV head tracking, при которой FPV-камера устанавливается на риг, позволяя ей двигаться в двух или трех измерениях в соответствии с вашими очками. Таким образом, камера движется параллельно вашей голове, что делает полет еще более захватывающим. Для этого следует использовать негибкий материал, например PETG, ABS, ASA или даже PC. Жесткость необходима для устранения люфта в компонентах, особенно при высокоскоростных движениях, когда внезапное усилие может согнуть детали в одном направлении или заставить их качаться.

Функциональность

Если FPV-полеты или гонки не для вас, вы всегда можете напечатать детали дрона для повышения функциональности. Может быть, карданный шарнир для аэрофотосъемки или таймлапс-видео или механизм для переноски и сбрасывания предметов?

Для кардана движущиеся части должны быть напечатаны из негибкого материала, чтобы исключить люфт. Однако при установке кардана на летательный аппарат необходимо предусмотреть гибкую часть из TPU, чтобы защитить его от вибрации.

Например, в кардане для дронов Raspberry Pi, представляющем собой простую конструкцию, адаптированную для камеры Raspberry Pi HQ Camera, используются небольшие и экономичные серводвигатели SG90. В качестве альтернативы можно рассмотреть тщательно продуманный 3-осевой карданный шар для дронов Сэма Понда, в котором используются три бесщеточных карданных мотора Turnigy и контроллер Micro Storm32.

Кроме того, расширители диапазона помогают увеличить силу сигнала и дальность действия пульта дистанционного управления дрона. Эти устройства крепятся к антенне контроллера и усиливают сигнал, позволяя летать дрону на большие расстояния и поддерживать стабильную связь. Расширители диапазона особенно полезны для FPV-пилотов, которым требуется расширенный рабочий диапазон для воздушной разведки или фотосъемки.

Защита

Наконец, вы можете напечатать 3D-детали для защиты вашего дрона, например стики управления радиопередатчиком и корпуса для защиты двигателя, пропеллера, камеры или карданного шарнира и батареи.

Защитные кожухи пропеллеров предназначены для защиты пропеллеров дрона от повреждений во время полета, особенно в тех случаях, когда дрон может столкнуться с препятствиями или налететь на них. Напечатанные на 3D-принтере пропеллеры подгоняются под конкретные модели дронов и могут быть легкими, но прочными, обеспечивая дополнительный уровень защиты без существенного влияния на летные характеристики.

Кроме того, индивидуальные защитные кожухи (для антенны, кардана и т. д.) помогут вам защитить детали от ударов, вибрации и мусора во время полета. Эти защитные кожухи часто проектируются легкими и аэродинамичными, чтобы минимизировать вмешательство в работу камеры. Интересно, что компания SxSierra разработала крепление для камеры с двойным защитным кожухом, который справляется со своей задачей и при этом придает дрону особый вид.

Кроме того, добавление шасси или накладок к 3D-печатному дрону может защитить хрупкие компоненты при взлете и посадке, обеспечивая устойчивость на пересеченной местности. Однако это увеличивает вес и сложность дрона, потенциально влияя на летные характеристики и сборку. Учитывайте такие факторы, как условия полета и личные предпочтения, прежде чем принимать решение о добавлении шасси.

Если вы увлекаетесь FPV-гонками, возможно, вам также стоит обратить внимание на такие конструктивные усиления, как кронштейны для рамы. Они могут укрепить раму дрона и предотвратить ее изгиб, особенно в местах повышенной нагрузки. 3D-печатные усилители рамы предназначены для равномерного распределения силы, что снижает риск разрушения конструкции и продлевает срок службы дрона.

Источники моделей дронов

Thingiverse — отличный бесплатный ресурс для поиска креплений для общедоступных камер (GoPro, Insta 360 и т.д.) и рам (TBS Source One, ImpulseRC, Iflight и т.д.).

GrabCAD — еще один бесплатный ресурс, который предлагает больше инженерных моделей, однако в списке еще есть модели, связанные с квадрокоптерами. Обратите внимание, что для загрузки моделей вам потребуется учетная запись (но не в случае с Thingiverse).

Если вы загружаете модели из каких-либо репозиториев (включая указанные выше веб-сайты), обязательно проверьте лицензию, под которой они находятся. Может случиться так, что вы можете свободно продать модель или вам может потребоваться указать оригинального дизайнера.

Если у вас есть конкретная рама и камера, часто у автора есть модель, доступные для скачивания и печати.

Если вы нигде не можете найти то, что вам нужно, вы можете спроектировать свои собственные детали в программном обеспечении САПР или поручить кому-нибудь их разработать для вас.

Проектирование собственных деталей

Если вы не можете найти то, что ищете, в онлайн-хранилище, всегда есть возможность сделать свои собственные детали и аксессуары. Когда дело доходит до моделирования деталей дрона, наличие правильного программного обеспечения CAD имеет решающее значение для создания точных и функциональных деталей. Хотя эти программы часто более сложны в освоении, они помогут вам создать детальные 3D-модели, которые затем можно экспортировать в STL-файлы для 3D-печати.

Хотя проектирование таких деталей может быть самым разнообразным по сложности и функциям, начиная от структурных компонентов, таких как рамы и кронштейны, и заканчивая сложными деталями, такими как пропеллеры и крепления для камер, вы можете начать с доработки существующих моделей, которые похожи на то, что вам нужно. Моделирование таких деталей требует точности и внимания к деталям, чтобы обеспечить правильную посадку и функциональность.

При выборе программного обеспечения CAD для моделирования деталей дронов важно учитывать такие факторы, как простота использования, набор функций, совместимость с 3D-печатью и цена. Вот несколько популярных программ САПР, подходящих для моделирования деталей беспилотников:

• Blender: Известный своей универсальностью и широким набором функций, Blender — это мощная и бесплатная программа с открытым исходным кодом, которая поддерживает 3D-моделирование, скульптуру, анимацию, рендеринг и многое другое. Она предлагает удобный интерфейс и широкий набор инструментов для импорта моделей или создания сложных конструкций, что делает ее идеальной как для новичков, так и для опытных пользователей. Гибкость Blender позволяет сравнительно легко создавать детали для беспилотников, а широкая поддержка сообщества обеспечивает доступ к учебникам и ресурсам для пользователей любого уровня подготовки. Чтобы начать моделировать детали беспилотников в Blender, вы можете ознакомиться с полезными учебниками, такими как серия «Пончик» от Blender Guru.
• Fusion: Fusion (ранее Fusion 360), разработанный компанией Autodesk, — это облачное CAD/CAM-программное обеспечение, объединяющее в единую платформу инструменты параметрического моделирования, механического проектирования, моделирования и совместной работы. Она предлагает такие расширенные возможности, как параметрическое моделирование, моделирование сборок и интегрированные функции CAM, что позволяет точно и эффективно проектировать сложные детали. Облачный характер Fusion обеспечивает беспрепятственную совместную работу членов команды и предоставляет доступ к мощным инструментам моделирования для тестирования и проверки конструкции перед производством.
• OpenSCAD: OpenSCAD — это бесплатная программа для создания 3D-моделей на основе сценариев. Она позволяет пользователям задавать геометрические формы и операции с помощью кода, что делает ее популярным выбором для параметрического проектирования и создания настраиваемых деталей. Благодаря этому обеспечивается высокая точность при моделировании деталей беспилотников. Однако он менее пригоден для создания органических форм из-за зависимости от математических выражений, что затрудняет создание негеометрических форм, таких как антенны или кожухи пропеллеров.

Проекты и ресурсы для начала работы

Если вы хотите заняться созданием 3D-деталей для дронов или базовой электроники, или же вам нужен целый квадрокоптер для 3D-печати, вы найдете широкий спектр проектов. Вы можете создавать детали на заказ или даже вдохновляющие реплики для серийно выпускаемых дронов, но есть и множество готовых к 3D-печати проектов дронов с десятками модификаций. Если вы сломаете какую-то деталь после падения, ее можно будет заменить, просто распечатав!

3D-печатный гоночный дрон «Выживет ли он?» — отличный проект, на который стоит обратить внимание. В видеоролике автор строит гоночный FPV-беспилотник, используя 3D-печатные детали, в частности Pion 230 с PLA. Компания Prusa также напечатала на 3D-принтере небольшой дрон с FPV-камерой и бесщеточными двигателями с высоким числом оборотов. Более подробную информацию и STL-файлы для рамы можно найти в видеоролике проекта на YouTube.

Среди других интересных проектов можно отметить усовершенствование дрона NanoLongRange от JohnJayMcKaye и Foldable Brushed Microquad от Dave_C_FPV. Это компактный, но универсальный складной дрон, который может похвастаться небольшим форм-фактором, идеальным для ограниченного пространства. Благодаря регулируемым углам обзора камеры и удобной складной конструкции он идеально подходит для исследования и аэрофотосъемки в дороге.

Если вы ищете что-то более крупное, то дрон T4 Quadcopter Drone предлагает полностью 3D-печатный дизайн с простой сборкой и настраиваемыми функциями, но его вес составляет около 2 кг (2,2 фунта). Благодаря прочной конструкции и множеству доступных модификаций вы сможете настроить этот дрон в соответствии с вашими потребностями и предпочтениями.

И наконец, GreatScott! демонстрирует основные принципы построения FPV-дрона в своем видео на YouTube, подробно описывая ключевые компоненты, такие как рама, двигатели, пропеллеры и многое другое. Оригинальный дизайнер (andreirusu99) рекомендует использовать PETG для каркаса из-за его высокой прочности, признавая, что нейлон обеспечивает еще большую прочность, несмотря на трудности печати и более высокую цену.

Запчасти

Помимо создания полноценных дронов с нуля, работа над проектами для запасных частей позволяет доработать существующие дроны или заменить поврежденные компоненты.

Ознакомьтесь со следующими идеями из Thingiverse о том, что можно напечатать, будь то целые рамы или более мелкие детали:

• Квадрокоптер: Это семейство рам, которые можно полностью напечатать на 3D-принтере, с десятками вариантов и ремиксов.
• Протектор карданного шарнира: Эта деталь поможет вам защитить стики на RC-передатчиках во время транспортировки.
• Дрон с навесом: Вот пример навеса, на котором можно разместить GoPro.

Если запчасти необходимы, то аксессуары для дронов — это скорее дополнение для удобства. Единственное реальное ограничение на то, что вы можете напечатать, — это ваше воображение! При этом необходимо учитывать назначение как самого устройства, так и его деталей, а также влияние дополнительного веса.

Другие идеи проектов DIY для дронов можно найти на сайте Instructables. На сайте представлено довольно много проектов, некоторые из которых включают в себя 3D-печатные детали, а также другие компоненты, такие как Arduino, Raspberry Pi или электронику, разработанную на заказ.