Wie Skydio mit Formlabs' Hilfe beim autonomen Flug von Drohnen vorauszieht

In den Anfangstagen der Drohnenindustrie benötigten unbemannte Flugsysteme bzw. Luftfahrzeuge (UAV, für engl. unmanned aerial vehicle) einen Piloten, der das System aus der Ferne steuerte. Um eine verlässliche Verbindung herzustellen, musste der Pilot sich in physischer Nähe zur Drohne befinden, was deren Reichweite und Effektivität einschränkte. In den vergangenen paar Jahren haben Drohnenhersteller begonnen, ihre Systeme um bestimmte autonome Funktionen zu ergänzen, wodurch sie neue Anwendungsfälle erschließen und eine umfangreiche Informationsaufnahme durch die Drohnen möglich machen.

Skydio ist an der Konkurrenz vorbeigezischt, indem es sich zuerst auf die Softwareentwicklung konzentrierte – das Unternehmen führte ein vollkommen autonomes Flugsystem ein. „In der Vergangenheit erforderte die Steuerung dieser Drohnen sehr viel Können. Mit konventionellen Drohnen hatte man immer viele Abstürze, oder ein sehr minderwertiges Video. Unsere Drohnen stürzen nicht ab – sie liefern nicht nur die perfekte Aufnahme, sondern sie weichen auch Bäumen aus, navigieren intelligent und können Subjekte automatisch verfolgen. Wir sind im autonomen Fliegen weltweit führend“, so Weinhoffer. 

Ein solcher Grad an Autonomie eröffnet eine völlig neue Vielfalt an Möglichkeiten für den Drohneneinsatz. Behörden für öffentliche Sicherheit können mit ihrer Hilfe Unfallstellen oder Tatorte überwachen, um Vorfälle digital zu rekonstruieren – und zwar ohne für die Kontrolle der Drohne Arbeitskräfte aufwenden zu müssen oder Dienstleister zu engagieren. Versorgungsunternehmen, Bauunternehmen und staatliche Agenturen nutzen die Drohnen von Skydio für umfassende Inspektionen ihrer Standorte und können Drohnen von einem fest installierten Dock entsenden – so richten sie ohne zusätzliche Ressourcen eine nahezu ununterbrochene Überwachung ein. Weil es bei diesen Anwendungen oft um schwer zugängliche Bereiche geht, müssen die Drohnen von Skydio robust und gut durchdacht sein. Der SLA-3D-Druck erlaubt es dem Unternehmen, sich so nah wie möglich an das endgültige spritzgegossene Bauteil anzunähern, wenn die Anforderungen an die Prototypen geprüft werden.

Beim Drohnendesign muss man sich im Schließen von Kompromissen üben. Robust gebaute Drohnen können nicht so lange fliegen wie leichte. Sehr leichte Drohnen können die Rechenleistung nicht tragen, die für den autonomen Betrieb nötig ist – werden aber sämtliche notwendige Rechenkomponenten für das autonome Fliegen eingebaut, erhöht das die Masse und beeinflusst damit die Flugzeit. Es ist eine ewige Kette leichter Designänderungen, minimaler Anpassungen und ausgiebiger Tests. „Wir laden sehr viel Datenverarbeitungsleistung an Bord, um das autonome Fliegen zu unterstützen. Jede Entscheidung bedeutet Abstriche bei der Leistung, was jede Komponente der Hardware und Elektronik beeinflusst.“

Um kleine Änderungen an der Geometrie von Komponenten vorzunehmen und zu testen, wie diese die Flugzeit oder Stoßfestigkeit beeinflussen, zählt das Team auf den Druck über Nacht, auf den sich der Entwicklungsprozess stützt. 

Dass Skydio in der Lage ist, diese Entscheidungen und Prüfprotokolle schnell zu durchlaufen, hat es dem Unternehmen erlaubt, Fristen einzuhalten und sich Aufträge zu sichern. Für ein Großprogramm der US-Regierung meldeten sich zahlreiche Drohnenhersteller auf eine offene Ausschreibung. Die Bewerber mussten einen strengen und kompetitiven Zeitrahmen einhalten, um Produkte vorzustellen, die den Anforderungen der Regierung gerecht wurden. Skydio gelang es, die Ausschreibung zu gewinnen – dank seines schnellen Tempos bei der Hardwareentwicklung, das das Unternehmen zum Teil seinen Formlabs-Druckern verdankt.

„Wir hatten keinerlei Kontrolle über die Frist, und es war entscheidend, dass wir Hardware und Software zusammen entwickeln. Die Durchlaufzeiten zur Produktion der Bauteile bedeuteten für uns das größte Hindernis. Sofort nahmen wir den Form 3+ in Dauerbetrieb, und damit wurde es sehr einfach. Wir hatten die Hardware, die wir brauchten, direkt parat“, erzählt Weinhoffer. 

In externen Testszenarien wie im Fall der staatlichen Ausschreibung können provisorische 3D-gedruckte Teile dazu dienen, die Robustheit und Haltbarkeit sowie Festigkeit und Steifigkeit von Spritzgussteilen und zerspanten Teilen zu simulieren, was von kritischer Bedeutung ist. Skydio benutzt für schnelle Prüfungen von Form und Passung zwar auch Teile aus FDM-3D-Druckern (Schmelzschichtung), doch für die Funktionstests der finalen Prototypendesigns verlässt sich das Team auf die Geräte von Formlabs. „SLA ist hilfreich, denn hier zählen Schnelligkeit und die Fähigkeit, sich so nah wie möglich an das Produktionsbauteil anzunähern, in möglichst kurzer Zeit. Dass wir Teile erhalten, die den Eigenschaften des Produktionsmaterials so nahe kommen, ist unglaublich“, meint Weinhoffer. 

Skydio verwendet Rigid 4000 Resin wegen seines Gleichgewichts zwischen Hitzebeständigkeit, Schlagfestigkeit und Festigkeit, und Tough 2000 Resin aufgrund seiner Ähnlichkeit zu spritzgegossenen Kunststoffen. Die transparente Optik von Clear Resin ist essenziell für den Einsatz in der Inspektionsphase, um zu erkennen, wie die Kabel innerhalb der elektroniklastigen Drohnen verlaufen. Für die schnelle Fertigung von Werkzeug oder funktionale Tests neuer Dichtungsdesigns greift das Team auf Elastic 50A Resin oder Durable Resin zurück.

Festigkeit ist sowohl für Prüfvorrichtungen als auch für im Fluggerät verbaute Teile entscheidend. Das Team entwickelt Testvorrichtungen für Drohnenkomponenten auf den Druckern des Typs Form 3+, wobei es von der mechanischen Festigkeit von Rigid 4000 Resin und der Schlagfestigkeit von Tough 2000 Resin profitiert.

Während der Radiofrequenz-Prüfphase im Zuge der Drohnenentwicklung platziert das Team Drohnenkomponenten in einer Antennenmesskammer, die externe Radiowellen abschirmt. Dafür war eine starke Haltevorrichtung nötig, die die Teile auf einem robotischen Drehteller fixiert. Diese durfte nicht aus Metall sein, um den Versuch nicht zu beeinträchtigen. Weinhoffer entwarf eine Vorrichtung, die aus Rigid 4000 Resin 3D-gedruckt und an der Kammer befestigt wurde, wo sie die Antennen in der richtigen Ausrichtung für den Versuch hält.

In einem anderen Fall brauchte das Team eine Lösung zur betriebsinternen Prototypenerstellung für Vibrationsisolatoren aus Gummi, denn Variationen dieser weichen Komponenten von Zulieferern anzufordern wäre teuer und zeitaufwendig gewesen. Inspiriert von einem Whitepaper von Formlabs druckte das Hardware-Entwicklungsteam mehrere Urformen, die eingesetzt wurden, um die Vibrationsisolation verschiedener Designs zu testen.

Ein Grund dafür, weshalb Skydio eine so große Bandbreite von Branchen und Kunden anspricht, ist die Zugänglichkeit und Benutzerfreundlichkeit seiner Produkte – die autonome Flugfunktion ist fortschrittlich genug, um eine Drohnenentsendung frei von Sorgen und Planung zu ermöglichen. Die Strafverfolgung kann sich so statt auf das Fliegen darauf fokussieren, Informationen von Tatorten zu sammeln, und Bauunternehmen können für jahrelange Projekte eine Drohne und ein Dock einsetzen, ohne sich Gedanken über Lücken bei der Inspektion machen zu müssen. Dieselbe Philosophie verfolgt Weinhoffer auch beim 3D-Druck: Wenn eine Technologie nicht zugänglich ist, dann hat sie im Labor keinen großen Wert. „Die Formlabs-Drucker sind so einfach zu verwenden und so viele Mitglieder unseres Ingenieurteams können sie nutzen. Weitere Form 3+ hinzuzufügen und unseren Entwicklungsteams einen oder zwei Tage zusätzlich zu geben, in denen sie schnelle Fortschritte machen, das hat für uns einen riesigen Effekt“, so Weinhoffer. 

Auf Skydios Pfad zu einer breiteren Produktpalette und zu stärker individualisierten Lösungen ist der 3D-Druck zu mehr als nur einem Hilfsmittel geworden – er hat es dem Hardware-Team möglich gemacht, mit dem halsbrecherischen Tempo der Softwareentwicklung Schritt zu halten. 

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie 3D-Drucker wie der Form 3+ es Herstellern in der Luftfahrt und Verteidigung ermöglichen, ihre Prozesse zu optimieren, wichtige Verträge zu sichern und die Kosten von Produktion und Entwicklung zu senken, dann besuchen Sie unsere Website rund um den Industriezweig oder kontaktieren Sie unser Expertenteam.