Drone DIY : Comment fabriquer un drone

Les drones prêts à l'emploi des grands fabricants tels que Skydio ou DJI sont peu onéreux et faciles à acheter, mais vous n'obtenez pas plus que ce que vous avez commandé : il peut s'avérer difficile de personnaliser ces drones pour votre propre application.

Même les kits de drones préfabriqués peuvent limiter les choix de conception que vous pouvez faire pour optimiser la vitesse, ou pour tirer parti de matériaux que vous avez déjà afin de faire des économies. En construisant vous-même votre drone, il est plus facile de le personnaliser pour votre application unique. Ce guide détaille la construction d'un drone étape par étape, propose une nomenclature facilement accessible (et personnalisable) et évoque les avantages des différentes méthodes, ainsi que des différents matériaux et composants.

Avant de construire votre propre drone DIY - nous détaillerons plus tard le processus de conception d'un quadricoptère - vous devez comprendre les notions de base de la conception et des performances d'un drone.

Tout d'abord, pourquoi des drones quadricoptères ? Les drones quadricoptères sont utilisés pour les courses de drones, la surveillance, la recherche, le suivi de chantiers, etc. Leur principale force réside dans leur maniabilité et leur capacité à rester en vol stationnaire, ce qui les rend bien adaptés aux applications de contrôle comme la surveillance des scènes de crime ou la cartographie agricole. Les drones ressemblant à des avions utilisés dans le secteur de la défense, ou « drones à voilure fixe », sont en revanche conçus pour de longues durées de vol et des charges utiles lourdes.

Bien que vous puissiez tout à fait construire vous-même un drone à voilure fixe, les processus d'atterrissage et de décollage sont plus complexes, et si c'est votre première réalisation, la conception d'un quadricoptère sera plus simple.

Les drones quadricoptères s'élèvent au-dessus du sol grâce à leurs moteurs qui poussent l'air vers le bas, créant ainsi une « portance ». Deux des moteurs du quadricoptère tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, et les deux autres dans le sens inverse. Ces forces opposées maintiennent l'équilibre du quadricoptère : pensez à un hélicoptère qui crée une portance avec son hélice principale - elle doit être équilibrée par le petit rotor de la queue pour que l'appareil reste de niveau, il s'équilibre dans l'air en modulant la force des deux « portances » distinctes.

Le cadre de votre drone DIY est important : les cadres représentent l'essentiel de la taille de votre drone et doivent être durables, légers et solides. Le rôle du cadre du drone est de servir de base pour votre électronique, et de point de connexion central pour vos bras moteurs. La distance d'une pale d'hélice à l'autre est le critère de mesure des dimensions des drones. Ainsi, un « drone 550 » mesure 550 mm de la pointe d'une pale d'hélice à l'autre. La plupart des drones FPV, et notamment les modèles les plus populaires de DJI, ont un diamètre d'environ 200 à 300 mm, ce qui les rend rapides et agiles. Ce que ces drones gagnent en agilité, ils le perdent souvent en durée de vol : leurs petits châssis ne peuvent pas transporter de grosses batteries, ce qui limite leur durée de vol à moins d'une heure en général.

La plupart des cadres de drones produits en série sont en plastiques moulés par injection, par exemple en ABS. Pour votre drone DIY, vous pouvez acheter des composants en ABS pour les cadres et les bras de rotor, ou acheter des cadres en fibre de carbone, faciles à usiner et à assembler. Vous pouvez également utiliser l'impression 3D pour concevoir un cadre unique parfaitement adapté à votre application, qui sera capable d'accueillir des moteurs, des câbles, des batteries et des composants de navigation qui ne pourraient pas être associés dans une configuration standard. En résumé, les drones DIY vous offrent beaucoup de liberté, et l'impression 3D vous permet d'aller encore plus loin en éliminant les limites des « kits » de drones DIY préfabriqués.

Les imprimantes 3D SLA permettent de produire des châssis de drones dans des matériaux tels que la résine Tough 1500 Resin V2 de Formlabs, aussi résistante aux chocs que le polypropylène moulé par injection. On peut aussi utiliser une poudre SLS telle que Nylon 12 Tough Powder, qui permet une construction sans supports, et donc des géométries organiques optimisées pour un rapport résistance-poids élevé.

^{Les matériaux utilisés pour l'impression 3D ont beaucoup évolué et peuvent résister à des contraintes et des impacts répétés tout en restant fonctionnels. Les résines SLA de Formlabs, comme Tough 1500 Resin V2 (à gauche), et les poudres SLS, comme Nylon 12 Tough Powder (à droite), ont été conçues pour offrir une résistance fonctionnelle et une résistance aux chocs, ce qui les rend idéales pour les applications de drones.}

Avant de choisir les composants, la première étape de la conception et de la fabrication de votre propre drone personnalisé consiste à définir quelques paramètres initiaux en répondant aux questions suivantes :

• Application : Comment puis-je optimiser la conception pour l'application visée ?

  • Tous les drones doivent trouver un équilibre entre intégrité structurelle et poids, afin de pouvoir supporter leur charge utile sans épuiser trop rapidement leur source d'alimentation. 

  • Les drones de livraison doivent être de grande taille et disposer d'une source d'alimentation importante pour pouvoir transporter des objets lourds. Les drones de course doivent être légers et très maniables, et la conception des drones de surveillance doit être optimisée pour pouvoir accueillir un système de caméra de haute qualité. 

• Réglementation : Quelles sont les réglementations auxquelles je dois prêter attention ? 

  • Les réglementations varient d'un pays à l'autre. Par exemple, aux États-Unis, les drones de moins de 250 grammes peuvent être pilotés (à titre récréatif) sans que l'opérateur ait une licence de la FAA, tandis que ceux de 250 grammes ou plus doivent être pilotés par un opérateur titulaire d'une licence de la FAA et nécessitent l'obtention d'une autorisation locale pour voler dans certaines zones. Pour obtenir un permis, il faut passer un test écrit et payer une redevance. 

  • Tous les drones doivent voler à moins de 120 m d'altitude, et il est interdit de voler à moins de 8 km d'un aéroport. 

• Coût : Combien dois-je dépenser pour les composants ? 

  • Mélangez et associez des composants prêts à l'emploi en fonction de votre budget. C'est là tout l'intérêt d'utiliser l'impression 3D pour le cadre et les bras de votre drone : vous pouvez construire votre cadre à partir d'un ensemble diversifié de composants peu onéreux qui, autrement, ne s'ajusteraient pas sur un cadre standard.

Choisissez entre des composants de drone prêts à l'emploi, un kit de drone préconçu ou une conception entièrement originale (y compris pour la fabrication des pièces nécessaires). La plupart des kits de drone sont livrés avec des instructions de construction. Dans le cadre de ce guide, nous nous concentrerons donc sur la construction d'un drone DIY avec une conception complètement originale, en utilisant l'impression 3D pour les composants non électriques. Cependant, dans le cas d'un kit de drone ou d'une construction prête à l'emploi, l'impression 3D peut constituer une bonne méthode pour fabriquer des pièces de rechange ou des pièces qui améliorent ou sécurisent un drone pré-construit, ou lui apportent une adaptation quelconque.

À titre d'exemple, suivons pas à pas le processus de conception et de construction d'un drone DIY à pilotge immersif (FPV) conforme aux réglementations de la FAA et de la NDAA.

1. Identification des paramètres :

   1. Peut dépasser 250 grammes

   2. Possède un identifiant à distance

   3. Dispose d'un GPS

   4. Dispose d'une caméra et d'une technologie de transmission visuelle

   5. Utilise une batterie standard pour petit système aérien sans pilote (SUAS) : Lot de 2 batteries LiPo HRB 6S XT60

   6. Style de moteur quadricoptère

2. Choix des composants prêts à l'emploi. Voir l'annexe pour la nomenclature complète des matériaux. 

3. Choix de la conception de votre drone : voilure fixe, quadricoptère à bras espacés, type multirotor avec hélices carénées

   1. Optimiser la légèreté, par exemple avec des structures en treillis

   2. Faire passer votre conception par un programme de conception générative pour trouver la meilleure combinaison possible de poids et de résistance, en retirant tout ce qui n'est pas nécessaire

4. Choix d'un processus d'impression 3D :

   1. Pour ce drone, nous avons besoin d'un matériau solide qui puisse supporter le poids de la batterie LiPo, sans être trop grand ou volumineux. Nous avons également besoin que le cadre du drone résiste à certains chocs, ainsi qu'à l'exposition aux UV. 

   2. La meilleure façon d'optimiser la résistance et le poids tout en pouvant utiliser nos composants prêts à l'emploi consiste à construire le drone DIY par impression 3D SLS. En utilisant la Fuse 1+ 30W de Formlabs, nous pouvons agencer toutes les pièces du drone dans une seule chambre de fabrication, les imprimer facilement sans supports et obtenir un drone entièrement imprimé avec un minimum de post-traitement en moins de 24 heures. 

5. Choix d'un matériau d'impression 3D :

   1. Pour maximiser la résistance et la durabilité du cadre de notre drone, nous allons choisir la poudre Nylon 12 Powder de Formlabs pour les bras, la plaque de composants et le couvercle, et la poudre TPU 90A Powder pour les petites entretoises, le support de la caméra et le support du GPS. 

   2. Les pièces en Nylon 12 Powder sont très ductiles et extrêmement précises sur le plan dimensionnel. Ce matériau, dont le taux de renouvellement n'est que de 20 %, est également extrêmement rentable pour l'impression.

   3. La poudre TPU 90A Powder est parfaite pour les supports qui doivent absorber les chocs et maintenir en sécurité les instruments fragiles comme la caméra et le module GPS. Dans ce cadre de drone, nous allons entailler le support du GPS pour y faire passer un fil, ce qui est possible avec TPU 90A Powder, mais pas avec les autres poudres SLS. 

6. Impression et post-traitement :

   1. Suivre les instructions pour l'impression et le post-traitement

      1. Les entretoises sont assez petites et peuvent se perdre dans l'excès de poudre. Vous pouvez créer une cage de pièces pour les repérer facilement ou les imprimer dans une grille que vous découperez ultérieurement. 

   2. Pour notre drone imprimé en 3D par SLS, il faudra procéder à l'impression en Nylon 12 Tough Powder sur une imprimante et à l'impression en TPU 90A Powder sur l'autre. 

      1. Retirer la poudre non frittée. Cette opération peut se faire dans la Fuse Sift pour les pièces SLS. 

      2. Lors du sablage, ne pas décaper les pièces en TPU 90A Powder (supports et entretoises).

7. Assemblage de votre drone DIY imprimé en 3D :

   1. Regardez la suite de la construction de notre drone, présentée par le directeur produit de Building Momentum, Henry Sullivan. 

Pour en savoir plus sur la série Fuse, consultez notre page. Pour connaître les possibilités de test de composants de drones imprimés en 3D par SLS pour votre projet, contactez notre équipe commerciale.