3D-печать БПЛА: всё что нужно знать, прежде чем начать

3D-печать БПЛА: всё что нужно знать, прежде чем начать

Введение

Если вы решили изготовить дрон с нуля посредством 3D-печати или изготовить сопутствующие детали для уже готового квадрокоптера, то этот гайд именно для вас. Читайте дальше, чтобы узнать всё о том, как заставить ваши напечатанные компоненты летать!

Основы 3D-печати деталей дрона

5-дюймовый миниквад с напечатанным креплением под Hero 8 (Источник: Роб Дэйви через All3DP)

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА/БЛА/БВС), также известные как дроны, представляют собой транспортные средства, способные работать автономно. Другими словами, дрон это не обязательно воздушное судно; к ним можно также отнести автомобили, лодки и даже суда на воздушной подушке. Тем не менее, этот термин используется для определения именно летательного аппарата, в котором имеется три или более несущих винта, обеспечивающих подъёмную силу и тягу. Их также обычно называют мультикоптерами, трикоптерами, квадрокоптерами и так далее.

В целом, БПЛА механически очень просты и состоят из рамы, полётного контроллера, эл. моторов, пропеллеров, контроллеров скорости и, возможно, оборудования для реализации вида от первого лица (FPV).

3D-печать уже давно отлично зарекомендовала себя в беспилотном хобби. Эта технология позволяет пользователю без особого труда самостоятельно изготавливать множество различных деталей. Это может быть что угодно, от защитных бамперов и креплений для экшн камер, до элементов дополнительного дооснащения, которые добавляют функциональности кваду.

В этой статье мы поговорим о том, что нужно учесть при 3D-печати деталей дрона, разберём самые актуальные для печати детали, а также расскажем, где найти модели и ресурсы. Затем мы завершим материал несколькими проектами, которые помогут вам начать работу. Но сначала, давайте разберёмся, зачем вам вообще нужно печатать детали на 3D-принтере. Читай дальше, чтобы узнать больше!

Преимущества

Держатель смартфона (Источник: Digit Design and Prints через Facebook)

  • Главное преимущество 3D-печати деталей в том, что они могут быть полностью индивидуализированы. Кроме того, они, как правило, недороги (при условии, что у вас уже есть принтер и филамент (нить для 3D-печати)), а дизайн можно быстро итерировать от начальной до окончательной версии.
  • Напечатанные детали могут быть изготовлены из различного материала в различном цветовом исполнении. Такой подход позволяет использовать материал с лучшими механическими свойствами для конкретных элементов. Например, ваше крепление для GoPro может быть исполнено в синем цвете из термополиуретана, а защита пропеллеров из нейлона. Держатели камер лучше всего печатать из ТПУ (Термопластичный полиуретан; TPU), так как этот материал поглощает вибрацию от рамы и плотно удерживает GoPro на месте, а прочный нейлон может поглощать удары и защищать как пропеллеры, так и сам объект/препятствие. Другие прочные материалы, такие как усиленный нейлон, могут даже использоваться для создания планеров, навесов и подвесов для камер.
  • Ещё один плюс при использовании напечатанных деталей — их относительно невысокая плотность. С помощью 3D-печати такие параметры, как количество периметров и процент заполнения, можно отрегулировать с целью значительного снижения веса, причём первое в большей степени предопределяет итоговый результат.

На этом фото демонстрируется последовательность изготовления канупи для FPV дрона (Источник: Роб Дэйви через All3DP)

  • Наряду с тем, что изготавливаемые детали полностью настраиваемые и лёгкие, их можно быстро итерировать. Например, при проектировании канупи первый вариант заготовки может быть напечатан из недорогого материала, такого как PLA, а после процесса подгонки все требуемые изменения могут быть легко внесены в следующую итерацию. После того, как модель будет признана законченной, её можно будет напечатать из более дорогого материала, такого как углеродное волокно, нейлон или даже, если позволяет бюджет, из углеродного волокна PEEK.
  • Кроме того, если у вас есть принтер и филамент, проблема сломанной детали становится не актуальной, так как приступить к созданию новой можно сразу же. Даже несмотря на то, что многие розничные продавцы предлагают быструю доставку, всегда будет лучшим распечатать деталь самостоятельно.

Соображения

Нужны ли вам все эти компоненты? (Источник: Роб Дэйви через All3DP)

Хоть 3D-печать и открывает целый мир новых возможностей с точки зрения дополнительных функций, самое важное, о чём следует помнить, — это вес вашего воздушного судна. Не всё, что можно распечатать и установить, целесообразно! Стоит понимать, что каждый грамм дрона влияет на время полёта и лётные характеристики, особенно это касается винтокрылых машин. Иначе говоря, на БЛА, первостепенное назначение которого — продолжительный полёт, присутствие таких компонентов как крепление для GoPro, устройство отслеживания головы и механизм сброса не обязательно.

Вы также можете заметить, что такие крупные компании как DJI, которые продают БПЛА и аналогичные летательные аппараты, обычно предлагают необходимые крепления и аксессуары; все они напечатаны, но их количество максимально ограничено, поскольку они попросту увеличивают вес.

К тому же, во многих странах, в том числе и РФ, правила требуют регистрировать модели весом более 250 граммов. Соответственно, спрос на квадрокоптеры массой ниже этого предела значительно выше.

Лучшие материалы

Защита для лучей, крепление для GoPro и крепление для антенны — всё напечатано из TPU (Источник: Digit Design и отпечатки через Facebook)

Самым часто используемым материалом для изготовления коптеров (особенно актуален для мини ниши) является ТПУ. Всё потому, что он очень гибкий и может деформироваться при ударе, поглощая энергию и защищая важные компоненты БЛА. Благодаря своей гибкости он также может поглощать вибрацию, уменьшая количество видимых артефактов на записанном видео. К счастью, это стало меньшей проблемой с появлением стабилизации в камере. Ещё одним подходящим материалом является нейлон. Он жёстче, чем TPU, но всё же обладает некоторой гибкостью.

Применимость материалов

Основными деталями, напечатанными на TPU, являются бамперы, крепления для камеры, крепления для антенн и защита пропеллеров. Нейлон также можно использовать для защиты пропов, но он встречается реже, потому что его сложнее печатать.

Хоть TPU и нейлон универсальны в применении, они подходят не для всех деталей. В тех случаях, где требуется больше жёсткости и прочности, например, при изготовлении планеров, рекомендуется такой материал, как нейлон армированный углеродным волокном (carbon-fiber-reinforced nylon; сокр. CFRPA6). Такой подход обеспечит преимущества стандартного нейлона в купе с жесткостью углеродного волокна. К тому же на нём легче печатать, чем на обычном нейлоне, поскольку он меньше коробится и лучше прилипает к рабочей пластине 3D принтера.

Одним из способов защитить нижнюю часть рамы судна, а также крепёжные болты моторов — это добавить напечатанные на 3D-принтере «подставки или посадочные площадки». Они особенно полезны при полёте над бетонной поверхностью. Идеальным материалом для этого выступает CFRPA6. Вы также можете напечатать их из TPU, но сопротивляемость к истиранию не будет такой хорошей.

Разновидность деталей

5-дюймовый гоночный квадрокоптер с плавником для тандема с режимом «черепаха или turtle» (Источник: Роб Дэйви через All3DP)

Плавники

Если ваше хобби — гоночные дроны, то вам стоит попробовать задействовать плавник. Этот компонент особенно актуален в тандеме с режимом, известном как «черепаха или turtle». При опрокидывании дрона вверх ногами, благодаря плавнику, два свободных от соприкосновения с поверхностью мотора, смогут беспрепятственно вращаться, что впоследствии позволит оперативно перевернуть квад и продолжить гонку. Чаще всего они печатаются из ТПУ, а иногда из нейлона.

Антенный крепёж

Держатель антенны FPV передатчика напечатана в TPU (Источник: rapnit via Thingiverse)

Если вы летите в FPV режиме, антенны видеопередатчика имеют жизненно важное значение. Таким образом, существует множество вариантов монтажа таких компонентов. Если аппарат предназначен для полётов на большие расстояния, то заключать активную часть антенны в TPU — не лучшая идея, поскольку это отрицательно скажется на видеосигнале. Для них TPU является предпочтительным выбором, поскольку он очень эластичен и может деформироваться без разрушения длительное время.

Также можно включить функцию отслеживание головы в FPV режиме, когда FPV камера устанавливается в моторизованный привод, позволяющей ей двигаться в двух или трех измерениях в соответствии с вашими FPV очками. Таким образом, камера копирует движения вашей головы, способствуя большему погружению. Для этого следует использовать негибкие материалы, такие как PETG, ABS, ASA или даже PC. Жёсткость необходима, чтобы устранить люфт в компонентах.

Функциональные компоненты

2-осевой подвес (для стабилизации камеры) был напечатан в PLA (Источник: turbi через Thingiverse).

Если FPV полёт или гонки не для вас, вы всегда можете распечатать детали для расширения функциональности. Может это, стабилизатор камеры для аэрофотосъёмки или видеосъёмки или механизм для захвата и сброса предметов? Для карданного подвеса движущиеся части должны быть напечатаны на негибком материале, чтобы исключить люфт.
При установке стабилизатора на дрон, между ним и подвесом обязательно должна быть гибкая деталь, изолирующая его от вибрации.

Защита

Эта защита стиков была разработана в Fusion 360 (Источник: Motorpixiegimbals через Thingiverse)

Наконец, еще одним хорошим вариантом для печати являются детали для защиты элементов, например, таких как стики управления пульта управления. Они могут быть из гибкого или негибкого материала, в зависимости от ваших предпочтений.

Источники моделей

Результаты поиска по запросу «Drones» на GrabCAD (Источник: GrabCAD)

  1. 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.).
  2. GrabCAD — ещё один популярный бесплатный ресурс, который, как правило, предлагает больше инженерных моделей, тем не менее в списке всё ещё есть модели, связанные с квадрокоптерами. Обратите внимание, что для загрузки моделей вам потребуется учётная запись (что примечательно для Thingiverse в этом нет необходимости).
    Если вы загружаете модели из любых репозиториев (включая указанные выше веб-сайты), не забудьте проверить лицензию, под которой они находятся, чтобы при продаже не нарушить авторских прав.
  • Если у вас оказалась специфичная рама или камера, не стоит забывать, что зачастую у производителя этих компонентов имеются проектные данные, доступные для загрузки и печати. В данном случае такой подход будет наиболее полезен, потому что вероятность того, что деталь будет соответствовать вашей, может быть выше, чем если вы воспользуетесь данными стороннего веб-сайта.
  • Если вы нигде не можете найти то, что вам нужно, вы можете спроектировать свои собственные детали в программном обеспечении CAD или поручить это кому-нибудь, чтобы он разработал их для вас.

Ресурсы

Этот сайт имеет активную базу пользователей и множество полезных обсуждений (Источник: DIYDrones)

Несмотря на то, что многие отдельные компоненты можно загрузить с перечисленных выше сайтов, существуют также дополнительные ресурсы, например форумы. Основными форумами производителей дронов являются DIYDrones и RCGroups. Полный список печатных планеров на RCgroups можно найти в одной полезной ветке, либо аналогичные списки можно найти на DIYDrones. Кроме того, существует сабреддит для дронов, в котором обсуждаются темы 3D-печати, а также сабреддит для дронов своими руками.

Проекты, которые помогут вам начать

Модель канупи со специально отлитым держателем для GoPro (Источник: basdelfos через Thingiverse).

Единственное реальное ограничение того, что вы можете распечатать, — это ваше воображение! Перед тем как приступить, необходимо будет учесть предполагаемое предназначение как дрона, так и детали, а также влияние любого дополнительного веса.

Предлагаем вашему вниманию следующие идеи от Thingiverse затрагивающие печать, будь то целый коптер или только отдельные его части:

  1. Квадрокоптер: семейство рам, которые можно полностью напечатать на 3D-принтере (десятки версий и вариаций)
  2. Защита стиков: защищает стиков аппаратуры управления во время транспортировки
  3. Канупи для FPV дрона: пример канупи, с отлитым держателем под GoPro (на фото выше)

На это у нас всё. Спасибо за внимание. Надеемся представленный материал был полезен для вас. Оставайтесь с нами!

Видео

Наглядный процесс печати лучей для FPV дрона из нейлона армированного углеродным волокном (CFRPA6).