Drone fai-da-te: Come costruire un drone

I droni disponibili in commercio, realizzati da grandi produttori come Skydio o DJI, sono economici e facili da acquistare, ma hanno dei limiti. Ad esempio, può risultare difficile personalizzare il drone in funzione dell'utilizzo. 

Anche i kit per droni già pronti possono limitare la possibilità di fare scelte di design al fine di ottimizzare la velocità o di sfruttare materiali che si potrebbero già avere, risparmiando in questo modo sui costi. Costruendo il tuo drone, sarà più semplice personalizzarlo in funzione della tua applicazione. In questa guida illustreremo passo per passo la costruzione di un drone, forniremo una distinta materiali facilmente accessibile (e personalizzabile) e parleremo dei vantaggi di vari metodi, materiali e componenti. 

Prima di costruire il tuo drone fai da te, devi comprendere le nozioni base sulla progettazione e sulle prestazioni dei droni. Dopodiché ti illustreremo il processo di progettazione di un drone quadricottero. 

Prima di tutto, perché i droni quadricotteri? I droni a quattro eliche vengono utilizzati per le gare di droni, la sorveglianza, la ricerca, il monitoraggio dei cantieri e molto altro. Il loro principale punto di forza è la manovrabilità e la capacità di librarsi, che li rende adatti ad attività di monitoraggio come la sorveglianza di scene del crimine o la mappatura agricola. I droni simili ad aerei, detti "ad ala fissa" e utilizzati nel settore della difesa, invece, sono progettati per sostenere tempi di volo lunghi e carichi pesanti. 

Sebbene sia assolutamente possibile costruire un drone fai-da-te ad ala fissa, i processi di atterraggio e decollo sono più complicati. Se si tratta della tua prima costruzione e progettazione, il design di un drone quadricottero risulterà più semplice. 

I droni a quattro eliche si sollevano da terra grazie ai motori che spingono l'aria verso il basso, generando la cosiddetta "portanza". Due motori del drone quadricottero ruotano in senso orario e gli altri due in senso antiorario. Queste forze opposte mantengono il drone in equilibrio. Basti pensare a un elicottero che crea portanza con l'elica principale e che deve essere bilanciato dal piccolo rotore di coda per poter livellare: il bilanciamento avviene in aria modulando la forza delle due "portanze". 

Il telaio del tuo drone fai-da-te è importante perché rappresenta la maggior parte delle dimensioni del drone e deve essere resistente, leggero e robusto al tempo stesso. Inoltre, funge da base per i componenti elettronici e da punto di connessione centrale per i bracci del motore. Le dimensioni dei droni vengono misurate in base alla distanza tra una pala dell'elica e l'altra, quindi un "drone 550" misura 550 mm da un'estremità dell'elica all'altra. La maggior parte dei droni FPV, come i modelli DJI più popolari, ha un diametro di circa 200-300 mm che li rende veloci e agili. Se da un lato questi droni guadagnano in termini agilità, dall'altro il tempo di volo è ridotto. Infatti, i loro telai piccoli non riescono a trasportare batterie grandi, limitando solitamente il tempo di volo a meno di un'ora. 

La maggior parte dei telai per droni prodotti in serie sono realizzati con plastica stampata a iniezione, come l'ABS. Per il tuo drone fai-da-te, puoi acquistare i componenti in ABS per i telai e i bracci del rotore, oppure puoi optare per i telai in fibra di carbonio, facili da lavorare e assemblare. In alternativa, puoi usare la stampa 3D per progettare un telaio unico che può essere costruito su misura per le tue esigenze, unendo motori, cablaggi, batterie e componenti di navigazione che altrimenti non si adatterebbero tra loro. In conclusione, la stampa 3D porta i droni fai-da-te a un livello superiore, eliminando le limitazioni dei "kit" dei droni fai-da-te preimpostati. 

Le stampanti 3D SLA permettono di realizzare telai per droni con materiali come la Tough 1500 V2 Resin di Formlabs, in grado di sopportare gli stessi impatti del polipropilene stampato a iniezione. Oppure, una polvere SLS come la Nylon 12 Tough Powder, che permette di stampare parti senza supporti, consentendo geometrie organiche ottimizzate per un ottimo rapporto resistenza-peso. 

^{I materiali stampati in 3D hanno fatto passi da gigante e sono in grado di resistere a sforzi e impatti ripetuti pur rimanendo funzionali. Le resine SLA di Formlabs come la Tough 1500 V2 Resin (a sinistra) e le polveri SLS come la Nylon 12 Tough Powder (a destra) sono state progettate per garantire resistenza funzionale e agli urti, rendendole perfette per le applicazioni dei droni.}

Prima di scegliere i componenti, il primo passo per progettare e fabbricare il tuo drone personalizzato è stabilire alcuni parametri iniziali rispondendo alle seguenti domande:

• Applicazione: Come posso ottimizzare il design per l'applicazione prevista? 

  • Tutti i droni devono bilanciare l'integrità strutturale con il peso, in modo da poter sostenere il carico utile senza scaricare troppo rapidamente la presa elettrica. 

  • I droni per le consegne devono essere grandi e disporre di una grande presa elettrica per trasportare oggetti pesanti. I droni da corsa devono essere leggeri e altamente manovrabili, mentre i droni da sorveglianza necessitano di un design ottimizzato che consenta un sistema di telecamere di alta qualità. 

• Normative: Quali normative devo rispettare? 

  • Le normative variano a seconda del Paese. Ad esempio, negli Stati Uniti i droni di peso inferiore a 250 grammi possono essere utilizzati a scopo ricreativo senza che l'operatore disponga di una licenza FAA, mentre quelli di peso pari o superiore a 250 grammi devono essere pilotati da un operatore con licenza FAA ed è necessario ottenere un permesso locale per volare in determinate aree. Per ottenere la licenza, è necessario sostenere un test scritto e pagare una commissione. 

  • Tutti i droni devono essere pilotati al di sotto dei 400 piedi e non possono essere pilotati a meno di 5 miglia da un aeroporto. 

• Costo: Quanto dovrei spendere per i componenti? 

  • Se hai un budget da rispettare, puoi scegliere di combinare componenti già pronti. È qui che entra in gioco la stampa 3D per il telaio e i bracci del tuo drone: puoi costruire il telaio a partire da un insieme di componenti meno costosi che non si adatterebbero a un telaio standard.

Puoi scegliere tra componenti standard per droni, un kit per droni preimpostato o un design del tutto originale (per cui sarai tu a realizzare le parti). La maggior parte dei kit per droni include le istruzioni per la costruzione, quindi in questa guida ci concentreremo sulla costruzione di un drone fai-da-te con un design completamente originale e sull'utilizzo della stampa 3D per i componenti non elettrici. Tuttavia, in caso di impiego dei kit per droni e delle costruzioni standard, la stampa 3D può rappresentare un buon metodo per la fabbricazione delle parti di ricambio o delle parti che migliorano, proteggono o adattano in altro modo un drone precostruito.

Per esempio, scopriamo passo per passo il processo di assemblaggio per progettare e costruire un drone per visuale in prima persona (FPV) che soddisfi le normative FAA e NDAA. 

1. Controlla i parametri: 

   1. Può superare i 250 grammi.

   2. Ha un ID remoto. 

   3. Ha il GPS. 

   4. Dispone di una telecamera e di una tecnologia di trasmissione visiva.

   5. Utilizza una batteria standard per piccoli sistemi aerei senza equipaggio (SUAS): HRB 2 pezzi 6S Batteria Lipo XT60. 

   6. Motore simile a quello del drone quadricottero

2. Scegli i tuoi componenti standard. Consulta l'appendice per la distinta completa dei materiali. 

3. Scegli il design del tuo drone: ad ala fissa, a quattro eliche con bracci distanziati, stile elicottero con telai per eliche a condotto.

   1. Ottimizza le funzionalità leggere come la reticolazione.

   2. Utilizza un programma di design generativo e trova la migliore combinazione possibile di peso e resistenza, rimuovendo l'ingombro non necessario. 

4. Scegli un processo di stampa 3D:

   1. Per questo drone abbiamo bisogno di un materiale resistente che possa sostenere il peso della batteria LiPo, ma senza che sia troppo grande o voluminoso. Inoltre, il telaio del drone deve resistere agli urti e all'esposizione ai raggi UV. 

   2. Il modo migliore per ottimizzare resistenza e peso e consentire l'uso di specifici componenti standard è costruire il drone fai-da-te con la stampa 3D SLS. Grazie all'utilizzo della stampante Fuse 1+ 30W di Formlabs, possiamo racchiudere tutte le parti del drone in un'unica camera di stampa, stamparle facilmente senza supporti e ottenere un drone completamente stampato con una post-elaborazione minima in meno di 24 ore. 

5. Scegli il materiale per la stampa 3D:

   1. Per massimizzare la resistenza e la durevolezza del telaio del nostro drone, scegliamo la Nylon 12 Tough Powder di Formlabs per i bracci, il componente del piatto e il coperchio protettivo, e la TPU 90A Powder per i piccoli distanziatori, l'attacco della fotocamera e del GPS. 

   2. Le parti in Nylon 12 Tough Powder sono altamente duttili ed estremamente precise dal punto di vista dimensionale. Questo materiale, con un tasso di rigenerazione della polvere di appena il 20%, ha anche un costo estremamente conveniente per il processo di stampa.

   3. La TPU 90A Powder è perfetta per gli attacchi che devono assorbire gli urti e mantenere al sicuro strumenti delicati come la fotocamera e il modulo GPS. In questo telaio del drone, dovremo tagliare l'attacco del GPS per far passare un cavo: questa operazione è possibile con la TPU 90A Powder, ma non con altre polveri SLS. 

6. Stampa e post-elaborazione:

   1. Segui le istruzioni per la stampa e la post-elaborazione.

      1. I distanziatori sono piuttosto piccoli e possono perdersi nella polvere in eccesso. Crea una gabbia di parti per posizionarle facilmente oppure stampale come parte di una griglia che potrai tagliare in seguito. 

   2. Per il nostro drone stampato in 3D SLS, dovrai stampare con la Nylon 12 Tough Powder su una stampante e con la TPU 90A Powder su un'altra. 

      1. Rimuovi la polvere non sinterizzata (puoi farlo nella Fuse Sift per le parti SLS). 

      2. Non sabbiare le parti in TPU 90A Powder (attacchi e distanziatori).

7. Assembla il tuo drone fai-da-te stampato in 3D: 

   1. Per seguire la costruzione del nostro drone, segui il Chief Product Office di Building Momentum, Henry Sullivan. 

Per maggiori informazioni sulla serie Fuse, visita la nostra pagina. Per testare i componenti dei droni stampati in 3D SLS per il tuo progetto, contatta i nostri esperti.