DIY-Drohne: Wie man eine Drohne baut

Standarddrohnen von großen Herstellern wie Skydio oder DJI sind preiswert und einfach zu beschaffen. Aber was man bestellt, bekommt man auch – die Drohne an die eigene Anwendung anzupassen, kann schwierig sein.

Selbst vorgefertigte Drohnenbausätze können Ihre Möglichkeiten einschränken, wenn es darum geht, die Geschwindigkeit zu optimieren oder vorhandene Materialien zu nutzen, um Kosten zu sparen. Wenn Sie Ihre Drohne komplett selbst bauen, können Sie sie leicht an Ihre spezielle Anwendung anpassen. In diesem Leitfaden beschreiben wir Schritt für Schritt den Bau einer Drohne, stellen eine leicht zugängliche (und anpassbare) Stückliste zur Verfügung und sprechen über die Vorteile verschiedener Methoden, Materialien und Bauteile.

Bevor Sie Ihre eigene DIY-Drohne bauen (weiter unten stellen wir den Bau eines Quadcopters vor), sollten Sie die Grundlagen der Drohnenkonstruktion und -leistung verstehen.

Zunächst einmal: Warum Quadcopter-Drohnen? Quadcopter-Drohnen werden für Drohnenrennen, Überwachung, Forschung, Baustellenaufsicht und vieles mehr eingesetzt. Ihre größte Stärke ist ihre Manövrierfähigkeit und ihre Schwebefähigkeit, wodurch sie sich für Anwendungen wie die Überwachung von Tatorten oder die Kartierung von Landwirtschaftsflächen eignen. Die flugzeugähnlichen Drohnen (sogenannte „Starrflügeldrohnen“), die in der Verteidigung eingesetzt werden, sind dagegen auf lange Flugzeiten und schwere Nutzlasten ausgerichtet.

Sie können durchaus auch eine Starrflügeldrohne selbst bauen, aber die Landung und der Start sind komplizierter. Als erste Drohnenkonstruktion ist ein Quadcopter daher besser geeignet.

Quadcopter-Drohnen heben vom Boden ab, indem ihre Motoren Luft nach unten drücken und so einen „Auftrieb“ erzeugen. Zwei der Motoren des Quadcopters drehen sich im Uhrzeigersinn, die beiden anderen gegen den Uhrzeigersinn. Diese gegensätzlichen Kräfte halten die Drohne im Gleichgewicht. Dies funktioniert ähnlich wie bei einem Hubschrauber, der mit seinem Hauptpropeller Auftrieb erzeugt, jedoch durch den kleinen Rotor am Heck ausbalanciert werden muss, um waagerecht zu bleiben. Er balanciert in der Luft, indem er die Kraft der beiden unterschiedlichen „Auftriebe“ moduliert.

Bei Ihrer DIY-Drohne spielt der Rahmen eine zentrale Rolle – er macht den Großteil vom Format Ihrer Drohne aus und muss robust, leicht und stark sein. Der Rahmen der Drohne dient als Basis für die Elektronik und als zentraler Verbindungspunkt für die Motorarme. Die Größe von Drohnen wird anhand des Abstands von einem Propellerblatt zum anderen gemessen. Eine „550er-Drohne“ misst also 550 mm von einer Propellerspitze zur anderen. Die meisten FPV-Drohnen, etwa die beliebtesten DJI-Modelle, haben einen Durchmesser von etwa 200 bis 300 mm, was sie schnell und wendig macht. Was diese Drohnenrahmen an Wendigkeit gewinnen, verlieren sie jedoch oft an Flugzeit – ihre kleinen Rahmen können keine großen Akkus tragen, wodurch sie in der Regel weniger als eine Stunde Flugzeit aushalten.

Die meisten massenproduzierten Drohnenrahmen werden aus spritzgegossenen Kunststoffen wie ABS hergestellt. Für Ihre DIY-Drohne können Sie ABS-Bauteile für Rahmen und Rotorarme erwerben, oder Sie können Carbonfaser-Rahmen kaufen, die einfach zu bearbeiten und zu montieren sind. Alternativ können Sie auch mit 3D-Druck einen einzigartigen Rahmen entwerfen, der speziell auf Ihre Anwendung zugeschnitten ist und Motoren, Kabel, Akkus und Navigationskomponenten unterbringt, die sonst nicht zusammenpassen würden. Die Quintessenz ist, dass Sie Ihre DIY-Drohne ganz individuell gestalten können, und mit 3D-Druck gehen Sie noch einen Schritt weiter, indem Sie die Beschränkungen vorgefertigter Drohnen-Bausätze überwinden.

SLA-3D-Drucker ermöglichen die Herstellung von Drohnenrahmen aus Materialien wie Tough 1500 Resin von Formlabs, das eine Stoßfestigkeit wie spritzgegossenes Polypropylen aufweist. Oder aus SLS-Pulvern wie Nylon 12 Tough Powder, das ohne Stützstrukturen gedruckt werden kann und organische Geometrien ermöglicht, die auf eine hervorragende spezifische Festigkeit optimiert sind.

^{3D-gedruckte Materialien haben enorme Sprünge gemacht und halten heute wiederholten Belastungen und Stößen stand, ohne an Funktionalität einzubüßen. Formlabs-SLA-Kunstharze wie Tough 1500 Resin (links) und SLS-Pulver wie Nylon 12 Tough Powder (rechts) wurden für Festigkeit und Schlagfestigkeit entwickelt und eignen sich daher perfekt für Anwendungen wie Drohnen.}

Vor der Auswahl der Komponenten ist der erste Schritt bei der Entwicklung und Herstellung Ihrer eigenen, maßgeschneiderten Drohne, einige grundlegende Parameter festzulegen. Beantworten Sie hierfür die folgenden Fragen:

• Anwendung: Wie kann ich das Design für die vorgesehene Anwendung optimieren?

  • Alle Drohnen müssen ein Gleichgewicht zwischen struktureller Integrität und Gewicht finden, damit sie ihre Nutzlast tragen können, ohne dass ihre Batterieladung zu schnell verbraucht ist. 

  • Lieferdrohnen müssen groß sein und über eine große Stromquelle verfügen, um schwere Gegenstände tragen zu können. Renndrohnen müssen leicht und sehr wendig sein, und das Design von Überwachungsdrohnen muss auf die Unterbringung hochwertiger Kamerasysteme optimiert sein. 

• Vorschriften: Welche Vorschriften muss ich beachten? 

  • Die Vorschriften sind von Land zu Land unterschiedlich. In den USA beispielsweise dürfen Drohnen mit einem Gewicht von weniger als 250 Gramm (zu Freizeitzwecken) geflogen werden, ohne dass der Bediener über eine FAA-Lizenz verfügt, während Drohnen mit einem Gewicht ab 250 Gramm von einem Bediener mit einer FAA-Lizenz geflogen werden müssen und in bestimmten Bereichen eine örtliche Fluggenehmigung erfordern. Um die Genehmigung zu erhalten, sind eine schriftliche Prüfung sowie das Zahlen einer Gebühr notwendig. 

  • Alle Drohnen müssen unter einer Höhe von 120 m geflogen werden, und das Fliegen in einem Umkreis von 8 km um einen Flughafen ist untersagt. 

• Kosten: Wie viel sollte ich für Komponenten ausgeben? 

  • Verwenden Sie unterschiedliche handelsübliche Bauteile je nach Ihrem Budget. Genau hier liegt der Vorteil des 3D-Drucks von Rahmen und Armen Ihrer Drohne – Sie können Ihren Rahmen gezielt für eine Zusammenstellung aus preisgünstigen Bauteilen entwickeln, die in einem Standardrahmen nicht zu verbauen wären.

Sie haben die Wahl zwischen handelsüblichen Drohnenkomponenten, vorgefertigten Drohnenbausätzen oder einem komplett eigenen Entwurf (und wie Sie diese Teile herstellen lassen können). Die meisten Drohnenbausätze enthalten Anleitungen für den Bau. In diesem Leitfaden konzentrieren wir uns daher auf den Bau von DIY-Drohnen mit einem ganz eigenen Design, mit 3D-Druck als Lösung für die nicht-elektrischen Bauteile. Aber auch für Drohnenbausätze und Standardmodelle kann der 3D-Druck eine gute Methode bieten, um Ersatzteile oder Komponenten herzustellen, die bestehende Drohnen optimieren, sichern oder anderweitig anpassen.

Betrachten wir nun beispielhaft das Design, die Fertigung und Montage einer selbstgebauten FPV-Drohne (First-Person-View), die den FAA- und NDAA-Vorschriften entspricht.

1. Parameter identifizieren:

   1. Kann über 250 Gramm wiegen

   2. Hat Remote-ID

   3. Hat GPS

   4. Verfügt über Kamera und Bildübertragungstechnik

   5. Verwendet einen Standard-Akku für kleine unbemannte Luftfahrtsysteme (SUAS): HRB 2pcs 6S Lipo Battery XT60

   6. Quadcopter-Motorstil

2. Wählen Sie die Bauteile, die aus dem Handel bezogen werden. Die vollständige Stückliste finden Sie im Anhang. 

3. Wählen Sie Ihr Drohnendesign: Starrflügel, Quadcopter mit Armen, Copter-Drohne mit Kanalpropeller

   1. Optimieren Sie das Gewicht durch Merkmale wie Gitterstrukturen.

   2. Lassen Sie Ihr Design durch ein Programm für generative Gestaltung laufen, um das bestmögliche Gleichgewicht aus Gewicht und Festigkeit zu finden und auf unnötige Masse zu verzichten.

4. 3D-Druckprozess wählen:

   1. Für diese Drohne brauchen wir ein starkes Material, das das Gewicht des LiPo-Akkus tragen kann, ohne zu große, massive Teile zu erfordern. Außerdem muss der Rahmen der Drohne Stößen und UV-Strahlung standhalten. 

   2. Die beste Möglichkeit, Festigkeit und Gewicht zu optimieren und gleichzeitig spezifische Bauteile aus dem Handel unterzubringen, ist die Konstruktion der DIY-Drohne mit SLS-3D-Druck. Mit dem Fuse 1+ 30W von Formlabs können alle Bauteile der Drohne in einer einzigen Konstruktionskammer gedruckt werden, und zwar problemlos ohne Stützstrukturen. So steht eine vollständig gedruckte Drohne mit minimaler Nachbearbeitung in weniger als 24 Stunden bereit. 

5. Material für den 3D-Druck auswählen:

   1. Um die Festigkeit und Haltbarkeit unseres Drohnenrahmens zu maximieren, wählen wir Formlabs Nylon 12 Tough Powder für die Arme, die Bauteilplatte und die Abdeckung und TPU 90A Powder für die kleinen Abstandshalter, die Kamerahalterung und die GPS-Halterung. 

   2. Teile aus Nylon 12 Tough Powder sind hochduktil und extrem maßgenau. Mit einer Neuzuführungsrate von nur 20 % ist dieses Material auch äußerst kostengünstig im Druck.

   3. TPU 90A Powder eignet sich perfekt für Halterungen, die Stöße absorbieren und empfindliche Geräte wie die Kamera und das GPS-Modul sicher beherbergen müssen. Bei diesem Drohnenrahmen schneiden wir die GPS-Befestigung aus, um einen Draht durchzufädeln. Mit TPU 90A Powder ist dies möglich, mit anderen SLS-Pulvern jedoch nicht. 

6. Druck und Nachbearbeitung:

   1. Befolgen Sie die Anweisungen zum Drucken und Nachbearbeiten

      1. Die Abstandshalter sind recht klein und können im überschüssigen Pulver verloren gehen. Erstellen Sie entweder einen Teilkäfig, um sie leicht aufzufinden, oder drucken Sie sie als Teil eines Gitters, das Sie später abschneiden können. 

   2. Für unsere SLS-3D-gedruckte Drohne müssen Sie auf einem Drucker mit Nylon 12 Powder und auf einem anderen Drucker mit TPU 90A Powder drucken. 

      1. Entfernen Sie das ungesinterte Pulver. Dies kann im Fuse Sift erledigt werden. 

      2. Die Teile aus TPU 90A Powder (Halterungen und Abstandshalter) dürfen nicht sandgestrahlt werden.

7. 3D-gedruckte DIY-Drohne zusammenbauen:

   1. Um den Bau unserer Drohne mitzuverfolgen, folgen Sie dem Chief Product Officer von Building Momentum, Henry Sullivan. 

Um mehr über das Ecosystem der Fuse-Serie zu erfahren, besuchen Sie unsere Produktseiten. Wenn Sie SLS-3D-gedruckte Bauteile für Ihr Projekt testen möchten, kontaktieren Sie unser Vertriebsteam.