- Eine mit dem 3D-Drucker gefertigte VTOL-Drohne schaffte mit einer einzigen Ladung 130 Meilen (ca. 210 km) bzw. 3 Stunden Flugzeit und wurde damit zu einer der 3D-gedruckten VTOLs mit der weltweit größten Reichweite und längsten Flugdauer
- Das Projekt begann völlig ohne Erfahrung mit CAD, 3D-Druck oder aerodynamischem Design und wurde in nur 90 Tagen eigenständig von der Konstruktion über den Druck und die Montage bis zum Flug fertiggestellt
- Zum ersten Mal kamen ein Bambu A1 3D-Drucker und foaming PLA als Material zum Einsatz; dabei gab es zahlreiche Iterationen bei der Parameterabstimmung, der Verbesserung der Materialqualität, der Beschaffung von Bauteilen und beim Troubleshooting von Leistungsverlusten
- Ausführliche Details zum Design- und Build-Prozess des Projekts konnten wegen Video-Editing und des Arbeitsaufwands nicht vollständig veröffentlicht werden; auf Wunsch sollen später weitere praktische Erkenntnisse geteilt werden
- Das Projekt sorgte für großes Aufsehen, unter anderem durch Quote-Tweets von Branchen-Influencern wie Reid Hoffman, und war eine besonders bedeutsame Erfahrung auf dem Weg zur Entwicklung eines persönlichen eVTOL
Projektüberblick und Motivation
- Eine selbst entworfene und mit dem 3D-Drucker gefertigte VTOL-Drohne (Vertical Take-Off and Landing) schaffte mit einer einzigen Ladung 130 Meilen und 3 Stunden Dauerflug
- Der Start erfolgte als absoluter Anfänger ohne jede Erfahrung in CAD, 3D-Druck oder Aerodynamikanalyse
- In nur 90 Tagen wurden Entwurf, Teilebeschaffung, Montage und Flug vollständig eigenständig umgesetzt
Lernprozess und viele Iterationen
- Ein Bambu A1 3D-Drucker und foaming PLA sowie die meisten Werkzeuge und Materialien wurden in diesem Projekt zum ersten Mal verwendet
- Auch die CAD-Fähigkeiten entwickelten sich von einfachem Skizzieren und simplen Extrusionen bis hin zum selbstständigen Erlernen von VTOL-Design und aerodynamischer Simulation
- Bei Teilebeschaffung, Verbesserung der Druckqualität und Troubleshooting von Leistungsverlusten traten in jeder Phase zahlreiche Hürden auf, aus denen praktische Erfahrung gewonnen wurde
Nicht veröffentlichte vertiefte Design- und Fertigungsschritte
- Wegen Video-Editing und des Umfangs der Inhalte konnten die Auswahl der Konstruktionsparameter, das CAD-Design des Airframes, die Teilebeschaffung, die Verbesserung der Druckqualität und die Analyse von Leistungsverlusten nicht vollständig behandelt werden
- Bei Interesse besteht die Bereitschaft, zusätzliches Know-how zu Design und Fertigung zu teilen
Reaktionen der Community und künftige Ziele
- Reid Hoffman zitierte das Projekt in einem Tweet mit den Worten: „Früher brauchte man einen Bruder und eine Fahrradfabrik, heute reicht die richtige Toolchain“; dadurch erhielt es große Aufmerksamkeit in Branche und Community
- Auf Basis dieser Erfahrung soll die Entwicklung eines persönlichen eVTOL weiter vorangetrieben werden
- Es zeigt, dass heute selbst Nicht-Profis mit 3D-Drucker, Open-Source-Wissen und Experimentierfreude hochentwickelte Drohnen und Fluggeräte entwickeln können
3 Kommentare
Hm, mein Bambu-Drucker druckt gerade nur Brettspiel-Komponenten ..
Foaming PLA ist ein spezielles Filament, das Bambu unter dem Namen PLA Aero verkauft.
Im Inneren entstehen dabei Bläschen, wodurch eine geringe Dichte bzw. Gewichtsreduzierung möglich ist. Beim gleichen Volumen etwa 50 % des Gewichts
Wow … wenn man jemanden 90 Tage einsperrt, käme dabei wohl sogar eine Waffe heraus, haha.
Hacker-News-Kommentare
Mich würde interessieren, wie es im Vergleich zu einem Frame aus Schaumstoff aussieht. Die Anpassbarkeit und die nicht massive Infill-Struktur von 3D-gedruckten Teilen sind klare Vorteile. Bei der Steifigkeit ist ein 3D-gedruckter Frame für einen Quadcopter zwar nicht so effektiv wie Carbonfaser, aber für einen Starrflügler scheint er als Alternative zu Schaumstoff eine ziemlich gute Option zu sein. Bei Quads wird das Steifigkeitsproblem maximal verstärkt, aber wenn das Gerät wie hier nur einfach startet und landet, ist das kaum wichtig, solange es nicht um extreme Beschleunigung oder Manöver wie bei Hochleistungsdrohnen geht. Falls das jemand ausprobieren möchte: Die verwendeten Teile sind wohl alles gängige chinesische COTS-Komponenten, die man bei Amazon und anderswo kaufen kann. ArduPilot als Firmware ist in Sachen Flexibilität und Stabilität hervorragend, aber die UX beim Einrichten gehört zu den schlechtesten überhaupt. Die meisten kommerziellen UAS verwenden fast ausnahmslos PX4
Ich habe Single-Wall Foaming-PLA verwendet, aber die Schlagfestigkeit war schwach und die Sprödigkeit definitiv hoch. Es ist sogar schwächer als der billigste Foamcore, EPP oder EPO. Das war beim tatsächlichen Absturz oder bei der Bergung wirklich ein Problem. Mein erstes VTOL vor längerer Zeit habe ich aus Foamcore Readyboard gebaut; selbst als es aus 12 Fuß Höhe auf Asphalt fiel, wurde es nur eingedrückt und ich musste nichts ersetzen. Wenn ich das nächste Mal wieder drucke, würde ich Schwalbenschwanzverbindungen oder Clips hinzufügen, um die Haltbarkeit zu verbessern. Für Avionik und Antriebskomponenten habe ich COTS verwendet, um schnell beschaffen zu können. Die Amprius-Batterien sind in den USA hergestellt, aber der Rest kommt aus China. Auch kommerziell nimmt die Nutzung von ArduPilot allmählich zu, aber die UX ist definitiv schwierig
PLA ist als Material schwer und spröde, also für Drohnenflüge eine deutlich schlechtere Wahl als Schaumstoff. Schon bei etwas härteren Landungen brechen Teile leicht. Wenn das Flugzeug schwer ist, leidet auch die Flugleistung. Der Vorteil ist aber, dass man defekte Teile sofort neu drucken kann. Allein das macht PLA schon wertvoll. ABS ist haltbarer und leichter, aber im Vergleich zu Schaumstoff immer noch schwer. Außerdem ist das Drucken mit ABS knifflig
Bei kommerziellen Systemen kauft man etwas, das der Hersteller bereits integriert und mit höherem Reifegrad ausgeliefert hat, daher ist eine unfreundliche Setup-UX kein großes Problem. Der Hauptgrund, warum die meisten kommerziellen UAS PX4 verwenden, liegt in den Unterschieden bei Lizenz und Wartungspolitik. ArduPilot ist GPLv3 und eher für Community und Hobby geeignet, PX4 dagegen BSD. Kommerzielle Hersteller wollen vermeiden, ihren eigenen angepassten Sourcecode offenzulegen, selbst wenn daran nichts Besonderes ist
Es hat mich überrascht, dass aktuelle Batteriezellen wie die Amprius SA08 verwendet wurden. Der Akkupack kostet etwa 1300 Dollar, hat aber laut Batemo Cell Explorer derzeit die höchste Energiedichte pro Gewicht auf dem Markt
Ich fliege Kartierungsmissionen mit Drohnen auf einem 200-Acre-Gelände. Derzeit steuere ich mit dronelink und DJI-Drohnen. Insgesamt brauche ich etwa 3 Stunden Flugzeit, und pro Akku sind ungefähr 35 Minuten möglich. Ich habe vier Akkus, und für durchgehenden Betrieb muss ich so schnell laden, wie ich verbrauche, aber selbst mit einem Vierfachladegerät reicht das Laden nicht aus. Wenn es einen Starrflügler gäbe, der über große Flächen fliegen und fortlaufend Fotos aufnehmen kann, wäre das großartig. Allerdings wirkt Selbstbau/Programmierung viel komplexer als die Nutzung einer DJI-Drohne von der Stange. Dazu kommt, dass das Gelände stark kupiert ist und der Eintritt in nahegelegenen Luftraum nicht erlaubt ist, weshalb auch Wenden nicht einfach sind. An den Autor oder andere mit Erfahrung: Lohnt sich für diese Mission ein Starrflügler, oder ist es wirtschaftlicher, einfach mehr Akkus für den Quadcopter zu kaufen?
Wirklich gute Frage! Ein kommerzielles VTOL-Produkt unter 5.000 Dollar, das 3 Stunden am Stück fliegen kann, gibt es praktisch nicht. Und etwas, das sich so einfach wie DJI nutzen lässt, ist ebenfalls schwer zu finden. Wenn du DIY wirklich ausprobieren willst und bereit bist, den Umgang mit ArduPilot oder PX4 zu lernen, wobei Letzteres einfacher ist, könntest du ein Kit wie das Heewing T2 VTOL zusammenbauen. Aber selbst mit ähnlich energiedichten Akkus dürften mehr als 2 Stunden Flugzeit schwierig werden
Versuch nicht, alles mit einer einzigen Maschine zu erledigen, sondern lass lieber zehn Drohnen gleichzeitig fliegen und gleichzeitig arbeiten und laden
Bei 200 Acre solltest du nicht 4 Stunden brauchen, sondern bei 120 m Flughöhe und 75–65 % Überlappung eher 20–25 Minuten. Mit einer Mavic 3 kannst du auch 3,5 cm/px GSD erreichen. Ich würde empfehlen, Flugüberlappung und Höhe zu optimieren
Die Starrflügler-Drohne eBee X scheint für deinen Einsatzzweck geeignet zu sein
Wenn du Zeit hast, kannst du in die Welt des FPV-Drohnen-Selbstbaus einsteigen. Frame, Motoren, ESC, Controller und alles andere lassen sich direkt selbst austauschen. Im Vergleich zu DJI bekommst du deutlich mehr Kontrolle und Befriedigung. Aber der Zeitaufwand und die Wirtschaftlichkeit sind etwas, worüber du nachdenken solltest
Ich frage mich, ob man mit vier Quadcopter-Motoren Gier, Nick und Roll vollständig ohne Steuerflächen kontrollieren kann. Wenn man dadurch unnötige Servos entfernen und Gewicht sparen könnte, wäre ich neugierig, ob das den zusätzlichen Akkuverbrauch ausgleichen würde
Gute Frage. Die Lift-Motoren auch im Reiseflug weiterlaufen zu lassen, ist beim Energieverbrauch nachteilig. Wenn es am Flügelende mehrere Reiseflug-Motoren relativ zum CG gäbe, könnte man Roll vielleicht über Differenzialschub einleiten, aber wegen der Effizienz macht man das kaum. Das Gewicht der Servos ist insgesamt nur ein sehr kleiner Anteil am ganzen Fluggerät
Ich frage mich, wie man dann die Gierkontrolle lösen würde
Dieses Projekt ist wirklich beeindruckend. Mich würde interessieren, wie du mit dem nötigen Wissen und den Skills begonnen hast und in welchen Punkten neues Lernen nötig war. Mich interessiert auch, wie stark du ArduPilot angepasst hast und ob die Drohnensteuerung in irgendeiner Weise ungewöhnlich ist
Danke! Für Schweben, Transition und Reiseflug verwende ich überall die Standardsteuerung von ArduPilot. Bei der Firmware habe ich nur Parameter und Tuning angepasst
ArduPilot ist wirklich sehr ausgereifte Software. Auch das HUD in vielen Drohnenvideos aus der Ukraine basiert fast immer auf ArduPilot. So ziemlich alles, von dem man glaubt, dass es möglich sein sollte, wird unterstützt. Flugzeuge, Hubschrauber, VTOLs, Speedboote, Yachten, alles ist möglich
Es sieht so aus, als wäre VTOL mit ArduPilot ganz ohne besondere Anpassungen möglich
Beeindruckend, kaum zu glauben, dass das von einem Amateur gebaut wurde. Getrennte Motoren für Vertikal- und Horizontalflug machen das Design einfacher, aber im Horizontalflug entsteht die Ineffizienz, dass die vertikalen Motoren viel Luftwiderstand verursachen. Wenn sie groß sind, könnte das ein Problem sein. Andererseits würde das Drehen der Motoren wohl zusätzliches Gewicht bringen und die Reichweite eher verringern
Tatsächlich ist die Ineffizienz dieser Konfiguration nicht so groß. Man kann den Reiseflugmotor und den Propeller optimal auslegen, was einen nicht trivialen Effizienzgewinn bringt. Bei Tiltrotor-/Wing-/Body-Konfigurationen müssen die Reiseflugmotoren auch den Auftrieb mit übernehmen, sodass die Motoren im Reiseflug nicht bei optimaler Drehzahl laufen. Schweben verbraucht im Vergleich zum Reiseflug 4- bis 7-mal mehr Leistung, und in solchen Fällen arbeiten die Motoren außerhalb ihres optimalen Bereichs. Auch Archer-CTO Munoz hat das öffentlich schon angesprochen
Wing verwendet bereits ein fast identisches Design. Man kann annehmen, dass dort durch Analyse und Simulation in vielerlei Hinsicht optimiert wurde, etwa bei Kosten, Reichweite, Komplexität und Sicherheit
[Referenz zum Wing-Aviation-Design](https://en.wikipedia.org/wiki/Wing_Aviation#/media/File:Wing_delivery_Vuosaari_3.jpg)
Es gibt wirklich viele DIY-Tiltrotor-VTOL-Designs. Zur Referenz teile ich dieses Beispiel von Hackaday für ein Tiltrotor-VTOL
Das Hinzufügen eines Tiltrotor-Mechanismus bringt bei Größe und Zweck dieses Projekts im Verhältnis zur zusätzlichen Komplexität und zum Mehrgewicht wenig Nutzen. Dass durch separate Motoren/Propeller zusätzliches Gewicht und Luftwiderstand entstehen, stimmt allerdings
Eigenwerbung: Aliptera kombiniert alle vier Motoren als Tiltrotoren mit einer ungewöhnlichen Flügelstruktur, sodass die Flügel im Vertikalflugmodus sogar Auftrieb liefern. Dadurch können die Motoren kleiner ausfallen, was auch die Effizienz im Horizontalflug verbessert
Wirklich großartig. Ich hoffe, viele Menschen fühlen sich inspiriert, selbst Dinge zu bauen, die sie mögen. „Man kann einfach anfangen und dabei lernen.“ Man braucht keine Erlaubnis, keinen Kurs, keinen Abschluss und keinen Mentor
Der Satz „Vor 100 Jahren brauchte man, um Flugpionier zu werden, einen Bruder und einen Fahrradladen. Heute braucht man nur noch die richtige Toolchain“ ist mir im Gedächtnis geblieben. In Kategorien, in denen die Schleife von Vorstellung zu Realität bereits existiert, wird sie am schnellsten durchlaufen
Wirklich beeindruckend. Ich frage mich, wie wichtig Steuerflächen bei einem Multimotor-Design sind
Ich interessiere mich schon lange fürs Bauen, habe es aber noch nicht ausprobiert. Ich wünschte, es gäbe einen detaillierten Bauplan und ein anfängerfreundliches Tutorial. Ich wäre auch bereit, das Projekt zu unterstützen oder bei Patreon mitzumachen