DIY 드론: 드론 제작법

Skydio 또는 DJI와 같은 대형 제조업체의 기성품 드론은 저렴하고 쉽게 구매할 수 있지만, 주문한 대로 받는 것이기 때문에 자신의 용도에 맞게 드론을 맞춤형으로 제작하기 어려울 수 있습니다.

사전 제작된 드론 키트도 속도에 최적화하도록 설계를 제한하거나 이미 보유하고 있는 재료를 활용하여 비용을 절감할 수 있습니다. 나만의 DIY 드론을 제작하면 고유한 용도에 맞게 드론을 쉽게 맞춤형으로 제작할 수 있습니다. 이 가이드에서는 단계별 드론 빌드에 대해 자세히 설명하고, 쉽게 액세스할 수 있고 사용자 맞춤형 자재 명세서를 제공하며, 다양한 방법, 재료, 컴포넌트의 장점에 대해 설명합니다.

나중에 쿼드콥터 설계 과정을 살펴보겠습니다. 나만의 DIY 드론을 제작하기 전에 드론 설계 및 성능의 기본 사항을 이해해야 합니다.

우선, 왜 쿼드콥터 드론일까요? 쿼드콥터 드론은 드론 레이싱, 감시, 연구, 건설 현장 모니터링 등에 사용됩니다. 드론의 주요 강점은 기동성과 호버링 능력으로, 범죄 현장 감시나 농업 매핑과 같은 모니터링 애플리케이션에 매우 적합합니다. 반면 방위 산업에서 사용하는 '고정익' 드론이라고 하는 비행기 모양의 드론은 비행 시간이 길고 탑재 하중이 무거운 것에 맞춰져 있습니다.

물론 DIY 고정익 드론을 제작할 수 있지만, 이착륙 과정이 더 복잡하고 처음 제작하고 설계하는 경우 쿼드콥터 설계가 더 간단합니다.

쿼드콥터 드론은 모터가 공기를 아래로 밀어내면서 '양력'을 발생시켜 지면에서 떠오릅니다. 쿼드콥터의 모터 중 두 개는 시계 방향으로, 나머지 두 개는 반시계 방향으로 회전합니다. 메인 프로펠러로 양력을 생성하는 헬리콥터가 수평을 유지하기 위해 꼬리에 달린 작은 로터로 균형을 유지해야 하는 것처럼, 쿼드콥터는 두 개의 서로 다른 '리프트'의 힘을 조절하여 공중에서 균형을 유지한다고 생각하면 됩니다.

드론 프레임은 드론 크기의 대부분을 차지하며 내구성, 경량, 강도를 갖춰야 합니다. 드론 프레임의 역할은 전자 장치의 베이스이자 모터 암의 중앙 연결 지점 역할을 하는 것입니다. 한 프로펠러 날에서 다른 프로펠러 날까지의 거리가 드론의 크기를 측정하는 방식이므로 '550 드론'은 프로펠러의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지의 길이가 550mm입니다. 가장 인기 있는 DJI 모델과 같은 대부분의 FPV 드론은 직경이 200~300mm 정도로 작아 빠르고 민첩합니다. 이러한 드론 프레임은 민첩성에서 이점을 얻지만 비행 시간에서 손해를 보는 경우가 많습니다. 작은 프레임은 대용량 배터리를 탑재할 수 없기 때문에 일반적으로 비행 시간이 1시간 미만으로 제한됩니다.

대부분의 대량 생산 드론 프레임은 ABS와 같은 사출 성형 플라스틱( )을 사용하여 만들어집니다. DIY 드론의 경우, 프레임과 로터 암용 ABS 컴포넌트를 구매하거나 가공 및 조립이 쉬운 탄소 섬유 프레임을 구매할 수 있습니다. 또는 모터, 배선, 배터리, 내비게이션 컴포넌트 등 일반적으로 서로 잘 맞지 않는 부품을 한데 모아 애플리케이션에 맞게 특수 제작된 프레임을 설계할 때 3D 프린팅을 활용할 수도 있습니다. 결론 - DIY 드론은 사용자에게 달려 있으며, 3D 프린팅은 사전 설정된 DIY 드론 '키트'의 한계를 제거하여 한 단계 더 발전시켰습니다.

SLA 3D 프린터는 사출 성형 폴리프로필렌과 동일한 충격을 견딜 수 있는 Formlabs의 Tough 1500 V2 Resin과 같은 재료로 드론 프레임을 제작할 수 있습니다. 또는 지지대 없이도 제작할 수 있어 중량 대비 강도에 최적화된 유기적 형상을 구현할 수 있는 Nylon 12 Tough Powder 와 같은 SLS 분말을 사용할 수 있습니다.

^{3D 프린팅 소재는 먼 길을 걸어왔으며 반복적인 스트레스와 충격을 견디면서도 기능을 유지할 수 있습니다. Formlabs의 광경화성 수지 조형 방식인 Tough 1500 V2 Resin(왼쪽)와 나일론 분말(오른쪽)은 기능적 강도와 내충격성을 위해 설계되어 드론 용도에 적합합니다.}

컴포넌트를 선택하기 전에 나만의 맞춤형 드론을 설계하고 제작하는 첫 번째 단계는 다음 질문에 답하여 몇 가지 초기 매개변수를 설정하는 것입니다:

• 응용 분야: 의도한 응용 분야에 맞게 디자인을 최적화하려면 어떻게 해야 하나요?

  • 모든 드론은 동력원을 너무 빨리 소모하지 않고 페이로드를 지탱할 수 있도록 구조적 무결성과 무게의 균형을 유지해야 합니다. 

  • 배달용 드론은 무거운 물체를 운반하기 위해 크기가 크고 동력원이 커야 합니다. 레이싱용 드론은 가볍고 기동성이 뛰어나야 하며, 감시용 드론은 고품질 카메라 시스템을 사용할 수 있도록 설계를 최적화해야 합니다. 

• 규정: 어떤 규정을 주의해야 하나요? 

  • 규정은 국가마다 다릅니다. 예를 들어, 미국에서는 무게 250g 미만의 드론은 운영자가 FAA 면허를 소지하지 않아도 (레크리에이션용으로) 비행할 수 있지만, 250g 이상은 FAA 면허를 소지한 운영자가 비행해야 하며 특정 지역에서 비행하려면 현지에서 허가를 신청해야 합니다. 라이선스를 취득하려면 필기 시험을 치르고 수수료를 지불해야 합니다. 

  • 모든 드론은 400피트 이하에서 비행해야 하며, 공항으로부터 5마일 이내에서는 드론을 비행할 수 없습니다. 

• 비용: 컴포넌트에 얼마를 지출해야 하나요? 

  • 기성 컴포넌트를 예산에 맞게 믹스 앤 매치하세요. 드론 프레임과 암에 3D 프린팅을 사용하면 표준 프레임에 끼워맞춤할 수 없는 다양한 저가 컴포넌트로 프레임을 제작할 수 있다는 점이 바로 3D 프린팅의 장점입니다.

기성품 드론 컴포넌트, 사전 설정된 드론 키트 또는 완전히 독창적인 설계(및 해당 부품을 제작하는 방법) 중에서 선택할 수 있습니다. 대부분의 드론 키트에는 조립 설명서가 포함되어 있으므로 이 가이드에서는 완전히 독창적인 디자인의 DIY 드론을 제작하고 전기를 사용하지 않는 컴포넌트를 3D 프린트로 제작하는 데 중점을 두겠습니다. 그러나 드론 키트와 기성품 제작의 경우 3D 프린팅은 교체품 제작에 적합하거나 이미 제작된 드론을 강화, 고정 또는 개조하는 부품에 적합한 제작 방법이 될 수 있습니다.

예를 들어, FAA 및 NDAA 규정을 충족하는 DIY 1인칭 시점(FPV) 드론을 설계하고 제작하는 조립 과정을 단계별로 살펴봅시다.

1. 매개변수 식별:

   1. 250그램 초과 가능

   2. 원격 ID 있음

   3. GPS 있음

   4. 카메라 및 영상 전송 기술 보유

   5. 표준 소형 무인 항공 시스템(SUAS) 배터리 사용: HRB 2pcs 6S 리포 배터리 XT60

   6. 쿼드 콥터 모터 스타일

2. 기성 컴포넌트를 선택하세요. 전체 자재 명세서는 부록을 참조하세요. 

3. 드론 디자인 선택: 고정익, 팔 간격이 있는 쿼드콥터, 덕트 프로펠러 프레임이 있는 콥터 스타일.

   1. 래티싱과 같은 경량 기능 최적화

   2. 제너레이티브 디자인 프로그램을 통해 디자인을 실행하여 무게와 강도의 최상의 조합을 찾아 불필요한 부피를 제거합니다.

4. 3D 프린팅 프로세스 선택:

   1. 이 드론에는 너무 크거나 부피가 크지 않으면서도 리튬폴리머 배터리의 무게를 견딜 수 있는 튼튼한 소재가 필요합니다. 또한 드론 프레임은 약간의 충격을 견디고 자외선 노출에 견딜 수 있어야 합니다. 

   2. 강도와 무게를 최적화하는 동시에 특정 기성 컴포넌트를 사용할 수 있는 가장 좋은 방법은 SLS 3D 프린트를 사용하여 DIY 드론을 제작하는 것입니다. Formlabs의 Fuse 1+ 30W를 사용하면 하나의 조형 공간에 모든 드론 파트를 넣고 지지대 없이 쉽게 출력할 수 있으며, 24시간 이내에 최소한의 후처리로 완성된 드론을 배송할 수 있습니다. 

5. 3D 프린팅 재료 선택:

   1. 드론 프레임의 강도와 내구성 극대화를 위해 암, 컴포넌트 플레이트, 커버에는 Formlabs Nylon 12 Tough Powder를, 소형 스페이서, 카메라 마운트, GPS 마운트에는 TPU 90A Powder를 사용했습니다. 

   2. 드론 프레임의 강도와 내구성 극대화를 위해 암, 컴포넌트 플레이트, 커버에는 Nylon 12 Tough Powder를, 소형 스페이서, 카메라 마운트, GPS 마운트에는 TPU 90A Powder를 사용했습니다. 리프레시 비율이 20%에 불과한 이 소재는 프린팅 비용도 매우 효율적입니다.

   3. TPU 90A Powder는 충격을 흡수하고 카메라 및 GPS 모듈과 같은 섬세한 기기를 안전하게 보호해야 하는 마운트에 적합합니다. 이 드론 프레임에서는 GPS 마운트를 절단하여 와이어를 통과시킬 예정인데, TPU 90A Powder를 사용하면 가능하지만 다른 SLS 분말을 사용하면 불가능합니다. 

6. 프린팅 및 후처리:

   1. 프린팅 및 후처리 지침을 따르세요.

      1. 스페이서는 매우 작아서 여분의 분말에 묻혀서 사라질 수 있습니다. 파트 케이지를 만들어 쉽게 찾거나 나중에 잘라낼 수 있도록 그리드의 일부로 프린팅하세요. 

   2. SLS 3D 프린트로 드론을 제작하려면 한 프린터에서는 Nylon 12 Tough Powder로, 다른 프린터에서는 TPU 90A Powder로 프린트해야 합니다. 

      1. 소결되지 않은 분말을 제거합니다. 이 작업은 SLS 파트용 퓨즈 선별기에서 수행할 수 있습니다. 

      2. 미디어 블라스팅의 경우, TPU 90A Powder 파트(마운트 및 스페이서)는 미디어 블라스팅하지 마십시오.

7. 3D 프린트로 만든 DIY 드론을 조립하세요:

   1. 드론 제작 과정을 따라가려면 빌딩 모멘텀의 최고 제품 책임자 헨리 설리반(Henry Sullivan)과 함께하세요. 

Fuse 시리즈에 대해 자세히 알아보려면 해당 페이지를 방문하세요. 프로젝트에 사용할 SLS 3D 프린팅 드론 컴포넌트 테스트에 대해 알아보려면 저희 영업팀에 문의하세요.