次のような大手メーカーのすぐに使えるドローン: Skydioや DJI はより手頃な価格で入手しやすいですが、注文したものがそのまま提供されるため、特定のニーズに合わせてドローンをカスタマイズすることが難しい場合があります。

既製のドローンキットであっても、速度の最適化やコスト削減のために既存の材料を活用するなど、設計上の意思決定に限界が生じる可能性があります。DIYドローンを自作すれば、特定のニーズに合わせて簡単にカスタマイズできます。このガイドでは、製作プロセスを段階的に説明し、分かりやすくカスタマイズ可能な部品表を提供し、この自作方法の利点について説明します。 さまざまな種類の材料とコンポーネント。

ドローンの物理学を理解する。

まず、なぜクワッドコプタードローンが選ばれるのでしょうか？クワッドコプタードローンは、ドローンレース、監視、調査、建設現場の監視など、様々な用途で利用されています。その主な強みは機動性とホバリング能力にあり、犯罪現場の監視や農業マッピングといった監視業務に最適です。一方、防衛産業で使用されている「固定翼ドローン」と呼ばれる航空機のようなドローンは、長時間の飛行と重いペイロードを搭載するように設計されています。

固定翼ドローンをDIYで作ることは確かに可能ですが、離着陸のプロセスはより複雑になります。もし初めてドローンを製作・設計するのであれば、クアッドコプターの設計の方がはるかに簡単です。

クワッドコプタードローンは、モーターが空気を押し下げることで「揚力」を生み出し、地面から離陸します。クワッドコプターのモーターのうち2つは時計回りに、残りの2つは反時計回りに回転します。これらの反対方向の力によって、クワッドコプターのバランスが保たれます。ヘリコプターは、メインローターで揚力を生み出し、さらに尾翼にも小さなローターを搭載してバランスを保っています。ヘリコプターは、2つの異なる方向の「揚力」を調整することで、空中で安定した飛行を保っています。

ドローンフレームのサイズ、形状、材質。

このION Mobilityドローンは、SLS 3Dプリント技術を用いて製作された、そのコア構造に不可欠なコンポーネントを搭載しています。バッテリー、GPS、VTXを内蔵する中央ハブに加え、モーターとプロペラ周辺の部品も含まれており、これらはすべて組み立て済みの部品です。IONチームは3Dプリント技術を用いることで、ドローンの安定性と耐久性を最適化し、衝突や激しい着陸の際にフレームがプロペラを保護します。

DIYドローンのフレームは非常に重要です。フレームはドローンのサイズを大きく左右するため、耐久性、軽量性、そして強度が求められます。ドローンのフレームは、電子機器の基盤として、またモーターアームの中央取り付けポイントとして機能します。プロペラの先端から先端までの距離によってドローンのサイズが決まります。したがって、「550サイズのドローン」とは、プロペラの先端から先端までの長さが550ミリメートルであることを意味します。人気のDJIモデルなど、ほとんどのFPVドローンは直径が約200～300ミリメートルで、高速性と機動性を備えています。しかし、この機動性の向上は飛行時間を犠牲にすることがよくあります。小さなフレームには大きなバッテリーを搭載できないため、通常の飛行時間は1時間未満になってしまいます。

大量生産されているドローンのフレームのほとんどは、ABSなどの射出成形プラスチックで作られています。DIYドローンの場合、フレームとローターアームにABSパーツを購入するか、機械加工と組み立てが容易なカーボンファイバーフレームを選択することができます。あるいは、3Dプリントを使用して、モーター、配線、バッテリー、ナビゲーションコンポーネントなど、標準的なフレームでは対応していないコンポーネントを組み込んだ、用途に合わせてカスタムメイドできる独自のフレームを設計することもできます。つまり、DIYドローンプロジェクト全体はあなた次第であり、3Dプリントは既製のDIYドローンキットの制限を排除することで、プロジェクトをさらに一歩進めます。

SLA 3D プリントにより、射出成形ポリプロピレンに匹敵する耐衝撃性を備えた Formlabs Tough 1500 V2 Resinなどの材料や、サポートなしでプリントできるNylon 12 Tough Powderなどの SLS パウダーからドローンのフレームを製造できるようになり、優れた強度対重量比に最適化された有機的な形状を作成できます。

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3Dプリント材料は飛躍的に進歩し、繰り返しの圧力や衝撃にも耐えながら機能性を維持できるようになりました。FormlabsのSLA樹脂（Tough 1500 V2 Resin（左）など）やSLSパウダー（Nylon 12 Tough Powder（右）など）は、機能的な強度と耐衝撃性を考慮して設計されており、ドローン用途に最適です。

DIY ドローンの設計パラメータを指定します。

この農業用マッピングドローンは固定翼設計を採用しており、操縦性やホバリング能力を優先することなく、高速かつ長距離の飛行が可能です。（画像提供： Nextech ）

コンポーネントを選択する前に、独自のカスタム ドローンを設計および構築するための最初のステップは、次の質問に答えていくつかの初期パラメータを定義することです。

• アプリケーション:目的の用途に合わせてデザインを調整するにはどうすればよいでしょうか?

  • すべてのドローンは、電力供給を急速に消耗させることなく積載物を支えられるように、構造強度と重量のバランスをとる必要があります。

  • 配送用ドローンは、重い物を運ぶために大型で強力な動力源を備えている必要があります。レース用ドローンは軽量で高い機動性が必要です。一方、監視用ドローンは、高品質のカメラシステムを搭載できる設計が必要です。

• 規制:どのような規制に注意する必要がありますか?

  • 規制は国によって異なります。例えば、米国では、重量250グラム未満のドローンは（レクリエーション目的であれば）操縦者からFAAライセンスを取得することなく飛行させることができますが、重量250グラム以上のドローンは、FAAライセンスを取得した操縦者と、特定の地域では地方自治体の許可が必要です。ライセンスを取得するには、筆記試験に合格し、料金を支払う必要があります。

  • すべてのドローンは 400 フィート以下の高度で飛行する必要があり、空港から 5 マイル以内での飛行は禁止されています。

• コスト:各部分にどれくらいの費用をかけるべきか?

  • 予算に合わせて既製のパーツを組み合わせてください。これが、ドローンのフレームやアームに3Dプリントを使用するメリットです。標準的なフレームでは組み込めないような、様々な安価なパーツを搭載したフレームを作成できます。

ドローンの製造方法を選択します。

水中ドローン（UUV）には、3Dプリントが適しています。FDM技術で印刷された部品（左のカプセルなど）は防水ではありませんが、SLA（中央のカプセル）とSLS（右のカプセル）で印刷された部品は、高圧下での水中テスト済みで、繊細な電子機器を安全に保護できます。

既製のドローンパーツのみを使用するか、既製のドローンキットを使用するか、それとも全く新しい設計（パーツの製造方法を含む）を使用するかを選択します。ほとんどのドローンキットには組み立て説明書が付属しているため、このガイドでは、DIYドローンをゼロから組み立て、電子部品以外の部品に3Dプリントを使用する方法に焦点を当てます。ただし、既製のパーツを使用したドローンキットや組み立て済みドローンの場合、3Dプリントは交換用パーツや、組み立て済みのドローンを強化、保護、またはカスタマイズするためのパーツを製造する優れた方法となります。

DIYドローン用の3Dプリント。

ドローン愛好家の多くは、ノズルからホットグルーガンのように材料を層ごとに押し出す熱溶解積層法（FDM）技術をよくご存知でしょう。しかし、この3Dプリント技術は実用的なドローン用途には適していません。FDMでプリントされた部品は異方性を持つため、衝撃や圧力を受けると、プリントされた層に沿って部品が剥離する可能性があります。FDMは安価で高速にプリントできますが、ドローン部品の試作にしか適していません。実用的なドローンの製造には、より機能的な3Dプリント技術を活用する必要があります。

SLA 3Dプリンターは、ドローン部品の試作だけでなく、実用化に向けた高品質部品の製造にも使用できます。SLAプリントされたドローン部品は等方性であるため、衝撃や負荷による応力によってFDMプリント部品のように層間剥離が発生することはありません。さらに、SLA 3Dプリントは幅広い材料に対応しており、特定の用途に最適な材料を選択できます。例えば、水中ドローンやUUV（無人航空機）では、電子機器を収納するための防水筐体が必要です。UUV部品のSLAプリントは、特にガスケットやシールにFormlabs Silicone 40A Resinのような柔軟な材料を使用する場合に最適です。

Tough 1500 Resin V2などの耐衝撃性材料は、薄肉の筐体、ブラケット、カバーのプリントに適しています。SLAプリントされた部品の滑らかな表面は、部品にプロフェッショナルな外観を与え、ドローン全体の美観を高めます。Form 4やForm 4Lなどの高速SLA 3Dプリンターは、1日に複数のプロトタイプを製造できるため、反復的なドローン設計フェーズにおいて非常に有益です。

SLS 3Dプリントは、ドローンの設計に独自の利点をいくつか提供します。パウダーベッドフュージョン技術では、印刷中に粉末材料を使用してパーツをサポートするため、サポートフリーの外観が確保され、複雑で有機的な形状の作成が可能になります。これにより、不必要な厚みやサイズを追加することなく、最適な強度対重量比を実現できます。Formlabs Nylon 12 Tough PowderなどのSLSパウダーは耐久性に優れ、ヘビーデューティーな産業用途で実証されています。DIY 3Dプリントドローンの場合、SLSパーツのプリントをサービスビューローにアウトソーシングするのが、機能的で耐久性があり、堅牢なドローンフレームを最低コストで入手する最良の方法です。ビジネス用に5機以上のドローンを設計・製造する必要がある場合（サービスとしてのドローンなど）、アウトソーシングした3Dプリントは最も費用対効果の高い選択肢であり、SLSプリントされたドローンパーツは、形状の自由度と機能的な強度を最もうまく組み合わせています。

3D プリント ドローンの生産規模を拡大したいと考えている場合、Fuse 1+ 30W SLS 3D プリンターを使用した社内 SLS システムを実装すると、初期コストを低く抑えながら効率的な生産プロセスを確保できます。

DIY ドローンに 3D プリント ツールを使用する。

このレーシングドローンのフレームは、カーボンファイバーシートから切り出された個々のパーツで構成されています。非常に軽量で耐衝撃性も高いのですが、特定の技術やペイロードに合わせてカスタマイズするのは困難です。

多くのコンシューマー向けドローンは、非常に軽量で高強度であるため、カーボンファイバー製のフレームを採用しています。これらのカーボンファイバー製パーツは、大量生産されたカーボンファイバーシートから切り出されることが多いです。これらのフレームは家庭用ドローンのDIYキットには適していますが、特定の技術をサポートするように設計されており、真のカスタマイズ性はありません。

3Dプリントは、たとえ3Dプリントした部品を直接フレームとして使用しない場合でも、DIYドローンを製作する費用対効果の高い方法となり得ます。3Dプリントによるラピッドツーリングは、カスタムカーボンファイバー部品を社内で製造するためのシンプルな方法です。

カーボンファイバー部品製造用の金型は様々な技術で作成できますが、光造形（SLA）3Dプリンターは滑らかな表面仕上げと多様な材料ライブラリを備えているため、社内金型製造において人気の選択肢となっています。SLAで印刷された部品には層状の凹凸や材料の多孔性がほとんどないため、表面の凹凸を気にすることなく、カーボンファイバーシートを金型にしっかりと押し込むことができます。

3DプリントをDIYドローン部品に活用するもう一つの方法は、通常は大量生産されるプロペラの製造です。プロペラの設計は、空気と水の動きの物理的特性に大きく依存しています。設計を少し変更するだけで、ドローンに作用する「揚力」の大きさと方向に大きな影響を与える可能性があります。市販の射出成形プロペラは、寸法の一貫性と強度に優れていますが、3Dプリントで自作することも可能です。設計を始める前に、CADプログラムの専門家が公開している多くのチュートリアル（Fusion 360を使ったこちらのチュートリアルなど）を活用することをお勧めします。

SLS を使用した DIY ドローン設計。

例として、FAA および NDAA の要件と規制を満たす DIY 一人称視点 (FPV) ドローンを設計および構築するための組み立てプロセスを段階的に説明します。

1. パラメータを特定する:

1. 重さは250グラム以上になることもあります。
   

2. リモートIDシステムを搭載しています。
   

3. GPSシステムを搭載しています。
   

4. カメラと画像伝送技術を備えています。
   

5. 標準の小型無人航空機システム (SUAS) バッテリーを使用します: HRB 2 個 6S Lipo バッテリー XT60。
   

6. クワッドコプタースタイルのモーター設計を採用しています。

2. 市販の部品を選択します。部品表（BOM）の詳細は付録をご覧ください。

3. ドローンのデザインを選択します:固定翼、独立したアームを備えたクワッドコプター、またはダクトプロペラフレーム。

1. 格子構造などの軽量特性に最適化されています。
   

2. ジェネレーティブ デザイン プログラムを使用して設計を実行し、不要な要素を排除して重量と強度の最適な組み合わせを見つけます。

4. 3D プリントのプロセスを選択します。

1. このドローンには、機体が過度に大きくかさばることなく、LiPoバッテリーの重量を支えるのに十分な強度を持つ素材が必要でした。さらに、ドローンのフレームは、ある程度の衝撃に耐え、紫外線（UV）にも耐性を持つ必要がありました。
   

2. 選択した既製部品を収容しながら、強度と重量を最適化する最良の方法は、Formlabs Fuse 1+ 30Wを使用したSLS 3DプリントでDIYドローンを製作することです。ドローンのすべての部品を1つのプリントルームに配置し、サポートなしで簡単にプリントし、最小限のプリント後作業で24時間以内に完成したドローンを製作できます。

5. 3Dプリントの素材を選択します。

1. ドローン フレームの強度と耐久性を最大限に高めるために、アーム、取り付けプレート、カバーには Formlabs Nylon 12 Tough Powder を使用し、小さなスペーサー、カメラ マウント、GPS マウントには TPU 90A Powder を使用します。
   

2. ナイロン12タフパウダーで印刷された部品は、高い靭性と極めて高い寸法精度を備えています。この材料は、リフレッシュレートがわずか20%であるため、印刷コストも非常に低くなります。

3. TPU 90Aパウダーは、衝撃を吸収し、カメラやGPSモジュールなどの繊細な部品を保護し、安全かつ確実に保持する必要があるマウントに最適です。このドローンフレームでは、配線のためにGPSマウントを切り出しますが、これはTPU 90Aパウダーでは可能ですが、他のタイプのSLSパウダーでは不可能です。

6. 印刷と後処理：

1. 印刷および印刷後の手順については、指示に従ってください。

1. スペーサーは比較的小さいため、余分な粉末の中に紛れてしまう可能性があります。パーツケージを作成して位置を特定しやすくするか、グリッドの一部として印刷して後で切り取りやすくしておくことをお勧めします。

2. SLS 印刷ドローンの場合、1 台のマシンでナイロン 12 タフ パウダーを印刷し、別のマシンで TPU 90A パウダーを印刷する必要があります。

1. 焼結されていない粉末を除去します。これは、SLS 部品の場合は Fuse Sift を使用して実行できます。

2. メディア ブラスト プロセスでは、TPU 90A パウダーで印刷された部品 (マウントおよびスペーサー) に対してメディア ブラストを実行しないでください。

7. 3DプリントしたDIYドローンを組み立てる:

1. 段階的な組み立て手順については、Building Momentum の最高製品責任者 Henry Sullivan 氏が提供するドローンの組み立てプロセスを参照してください。

Fuseシリーズの詳細については、当社のウェブサイトをご覧ください。また、SLSプリントされたドローン部品をプロジェクトでテストしてみたい場合は、当社の営業チームまでお問い合わせください。

部品表

参考文献

https://formlabs.com/blog/diy-drones-how-to-build-a-drone/