Drone DIY: Cách Tự Làm Một Chiếc Drone

Các mẫu drone bán sẵn từ những nhà sản xuất lớn như Skydio hay DJI có giá thành phải chăng và rất dễ mua, nhưng bạn sẽ phải chấp nhận đúng những gì đã đặt, việc tùy biến drone cho mục đích sử dụng riêng vì thế trở nên khá hạn chế.

Ngay cả các bộ kit drone lắp ráp sẵn cũng có thể giới hạn khả năng đưa ra lựa chọn thiết kế để tối ưu tốc độ, hoặc tận dụng những vật liệu bạn đã có sẵn nhằm tiết kiệm chi phí. Trong khi đó, việc tự chế tạo một chiếc drone DIY giúp bạn dễ dàng tùy biến drone theo đúng nhu cầu ứng dụng cụ thể của mình. Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết từng bước để chế tạo drone, cung cấp danh sách vật tư dễ tiếp cận (có thể tùy chỉnh), đồng thời phân tích ưu điểm của các phương pháp, vật liệu và linh kiện khác nhau.

Hiểu Về Vật Lý Của Drone

Trước khi bắt tay vào tự chế tạo một chiếc drone DIY, ở phần sau chúng ta sẽ đi qua quy trình thiết kế một quadcopter, bạn cần nắm được những kiến thức cơ bản về thiết kế và hiệu suất hoạt động của drone.

Trước hết, vì sao lại là drone quadcopter? Drone quadcopter được sử dụng rộng rãi trong đua drone, giám sát, nghiên cứu, theo dõi công trường xây dựng và nhiều ứng dụng khác. Điểm mạnh lớn nhất của chúng là khả năng cơ động cao và khả năng bay treo tại chỗ, điều này khiến quadcopter đặc biệt phù hợp với các ứng dụng giám sát như theo dõi hiện trường vụ việc hay lập bản đồ nông nghiệp. Ngược lại, các loại drone có hình dáng giống máy bay, được gọi là drone “cánh cố định” (fixed-wing) và thường dùng trong lĩnh vực quốc phòng, lại được thiết kế để bay trong thời gian dài và mang tải trọng lớn.

Mặc dù bạn hoàn toàn có thể tự chế tạo một drone cánh cố định DIY, nhưng quá trình cất cánh và hạ cánh của chúng phức tạp hơn. Vì vậy, nếu đây là lần đầu tiên bạn thiết kế và lắp ráp drone, lựa chọn thiết kế quadcopter sẽ đơn giản và dễ tiếp cận hơn.

Drone quadcopter cất cánh bằng cách các động cơ đẩy luồng không khí xuống dưới, tạo ra lực nâng (“lift”). Hai động cơ của quadcopter quay theo chiều kim đồng hồ, trong khi hai động cơ còn lại quay ngược chiều. Các lực đối nghịch này giúp quadcopter giữ được trạng thái cân bằng. Hãy hình dung một chiếc trực thăng tạo lực nâng bằng cánh quạt chính, nó cần một cánh quạt nhỏ ở đuôi để cân bằng và giữ cho thân máy bay ổn định; trực thăng giữ thăng bằng trên không bằng cách điều chỉnh cường độ của hai lực “nâng” khác nhau này.

Kích Thước, Hình Dạng Và Vật Liệu Khung Drone

Khung drone DIY đóng vai trò rất quan trọng, khung chiếm phần lớn kích thước tổng thể của drone và cần phải bền, nhẹ nhưng vẫn đủ chắc chắn. Nhiệm vụ của khung drone là làm nền tảng để gắn các linh kiện điện tử, đồng thời là điểm kết nối trung tâm cho các tay động cơ. Kích thước của drone được đo bằng khoảng cách từ đầu cánh quạt này sang đầu cánh quạt đối diện, vì vậy một chiếc “drone 550” sẽ có khoảng cách 550 mm từ đầu cánh quạt bên này sang bên kia. Phần lớn các drone FPV, bao gồm những mẫu phổ biến của DJI, có đường kính khoảng 200–300 mm, giúp chúng bay nhanh và rất linh hoạt. Tuy nhiên, đổi lại cho sự cơ động này là thời gian bay, khung nhỏ không thể mang theo pin dung lượng lớn, nên thời gian bay thường bị giới hạn dưới một giờ.

Hầu hết các khung drone sản xuất hàng loạt được làm từ nhựa ép phun như ABS. Với drone DIY, bạn có thể mua các linh kiện khung và tay rotor bằng ABS, hoặc lựa chọn khung sợi carbon, vốn dễ gia công và lắp ráp. Ngoài ra, bạn cũng có thể sử dụng công nghệ in 3D để thiết kế một khung hoàn toàn riêng biệt, được “đo ni đóng giày” cho ứng dụng cụ thể của mình, kết hợp động cơ, dây dẫn, pin và các thành phần dẫn đường mà thông thường khó có thể lắp vừa trên một khung tiêu chuẩn. Tóm lại, drone DIY hoàn toàn do bạn quyết định, và in 3D đưa khả năng đó lên một tầm cao mới bằng cách loại bỏ những giới hạn của các bộ kit drone có sẵn.

Máy in 3D SLA cho phép chế tạo khung drone bằng những vật liệu như Tough 1500 V2 Resin của Formlabs, có khả năng chịu va đập tương đương nhựa polypropylene ép phun. Hoặc bạn có thể sử dụng bột SLS như Nylon 12 Tough Powder, vật liệu có thể in mà không cần support, cho phép tạo ra các hình học hữu cơ được tối ưu hóa để đạt tỷ lệ độ bền trên trọng lượng rất cao.

Xác Định Các Thông Số Thiết Kế Drone DIY

Trước khi lựa chọn linh kiện, bước đầu tiên để thiết kế và chế tạo một chiếc drone tùy chỉnh theo nhu cầu của bạn là xác định một số thông số ban đầu bằng cách trả lời các câu hỏi sau:

Ứng dụng: Làm thế nào để tối ưu thiết kế cho mục đích sử dụng dự kiến?

Tất cả các drone đều cần cân bằng giữa độ bền kết cấu và trọng lượng, để có thể mang tải mà không làm tiêu hao nguồn năng lượng quá nhanh.

Drone giao hàng cần có kích thước lớn và nguồn năng lượng mạnh để mang vật nặng. Drone đua cần nhẹ và có khả năng cơ động cao, trong khi drone giám sát cần được tối ưu thiết kế để hỗ trợ hệ thống camera chất lượng cao.

Quy định: Tôi cần chú ý đến những quy định nào?

Các quy định sẽ khác nhau tùy theo từng quốc gia. Ví dụ, tại Mỹ, drone có trọng lượng dưới 250 gram có thể được bay (mục đích giải trí) mà người điều khiển không cần giấy phép của FAA. Trong khi đó, drone nặng từ 250 gram trở lên phải do người có giấy phép FAA điều khiển và cần xin phép địa phương khi bay ở một số khu vực nhất định. Để có được giấy phép, bạn cần tham gia một bài kiểm tra viết và đóng lệ phí.

Tất cả drone đều phải bay ở độ cao dưới 400 feet, và không được bay trong phạm vi 5 dặm tính từ sân bay.

Chi phí: Tôi nên chi bao nhiêu cho các linh kiện?

Kết hợp linh hoạt các linh kiện bán sẵn để phù hợp với ngân sách của bạn. Đây chính là lợi thế lớn của việc sử dụng in 3D cho khung và tay drone, bạn có thể thiết kế khung xoay quanh nhiều linh kiện có giá thành thấp hơn, vốn dĩ không thể lắp chung trên một khung tiêu chuẩn.

Lựa Chọn Phương Pháp Chế Tạo Drone

Hãy lựa chọn giữa việc sử dụng hoàn toàn các linh kiện drone bán sẵn, một bộ kit drone lắp ráp có sẵn, hoặc một thiết kế hoàn toàn mới (và cách để chế tạo các bộ phận đó). Phần lớn các bộ kit drone đều đi kèm hướng dẫn lắp ráp, vì vậy trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ tập trung vào việc chế tạo một chiếc drone DIY với thiết kế hoàn toàn nguyên bản, đồng thời sử dụng công nghệ in 3D cho các bộ phận không liên quan đến điện tử. Tuy nhiên, ngay cả với các bộ kit drone hoặc các cấu hình sử dụng linh kiện bán sẵn, in 3D vẫn là một phương pháp hiệu quả để chế tạo linh kiện thay thế, hoặc tạo ra các chi tiết giúp tăng cường, cố định hay điều chỉnh drone đã được lắp ráp sẵn.

In 3D Cho Drone DIY

Mặc dù phần lớn người chơi drone đã quen thuộc với công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM), trong đó đầu phun đùn từng lớp sợi nhựa giống như một súng bắn keo nóng, nhưng công nghệ in 3D này không thực sự lý tưởng cho các drone sử dụng chức năng thực tế. Đặc tính vật liệu không đẳng hướng của các chi tiết in FDM khiến linh kiện có thể bị tách lớp dọc theo các đường layer khi chịu va đập hoặc tải trọng. Dù có ưu điểm là chi phí thấp và tốc độ in nhanh, FDM vẫn chỉ phù hợp cho việc tạo mẫu thử linh kiện drone; còn với các bộ phận sử dụng cuối cùng, nên lựa chọn một công nghệ in 3D có tính năng cao hơn.

Máy in 3D Stereolithography (SLA) có thể vừa phục vụ tạo mẫu, vừa sản xuất linh kiện drone đạt chất lượng sử dụng thực tế. Các chi tiết drone in bằng SLA có đặc tính vật liệu đẳng hướng, vì vậy khi chịu va đập hoặc tải trọng, chúng không bị hiện tượng tách lớp như các chi tiết in FDM. Ngoài ra, in 3D SLA còn cung cấp nhiều loại vật liệu khác nhau để lựa chọn theo từng ứng dụng cụ thể. Ví dụ, các drone dưới nước (UUV) cần vỏ bảo vệ kín nước cho linh kiện điện tử. Việc in 3D các bộ phận UUV bằng SLA là lựa chọn lý tưởng, đặc biệt khi sử dụng các vật liệu mềm dẻo như Silicone 40A Resin của Formlabs để làm gioăng và phớt kín.

Những vật liệu có khả năng chịu va đập cao như Tough 1500 Resin V2 là lựa chọn phù hợp để in các chi tiết thành mỏng như vỏ bảo vệ, giá đỡ và nắp che. Bề mặt mịn của các chi tiết in SLA cũng giúp tăng tính chuyên nghiệp cho linh kiện và cải thiện tính thẩm mỹ tổng thể của drone. Các máy in SLA tốc độ cao như Form 4 và Form 4L có thể tạo ra nhiều bản mẫu mỗi ngày, rất hữu ích trong các giai đoạn thiết kế lặp của drone.

Công nghệ in 3D Selective Laser Sintering (SLS) mang lại nhiều lợi thế độc đáo cho thiết kế drone. Công nghệ nung chảy bột bằng laser này tự hỗ trợ chi tiết trong suốt quá trình in, đảm bảo không để lại dấu support và cho phép tạo ra các hình học phức tạp, hữu cơ giúp tối ưu tỷ lệ độ bền trên trọng lượng mà không làm tăng kích thước không cần thiết. Các loại bột SLS hiện có, như Nylon 12 Tough Powder, có độ bền rất cao và đã được chứng minh hiệu quả trong các ứng dụng công nghiệp chịu tải. Đối với drone DIY in 3D, đặt in các chi tiết SLS từ các đơn vị dịch vụ là cách tốt nhất để có được một khung drone bền, chắc, đáp ứng chức năng với chi phí thấp nhất. Nếu bạn muốn thiết kế và chế tạo từ một đến năm chiếc drone cho doanh nghiệp của mình (ví dụ mô hình drone-as-a-service), việc thuê ngoài in 3D là phương án kinh tế nhất, và các linh kiện drone in SLS mang lại sự kết hợp tối ưu giữa tự do thiết kế hình học và độ bền chức năng.

Đối với những ai muốn bắt đầu sản xuất drone in 3D với số lượng lớn hơn, việc đưa công nghệ SLS về sản xuất nội bộ bằng máy in 3D Fuse 1+ 30W giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu, đồng thời xây dựng được một quy trình sản xuất ổn định.

Sử Dụng Đồ Gá In 3D Cho Drone DIY

Nhiều mẫu drone hướng đến người tiêu dùng sử dụng khung thân bằng sợi carbon nhờ đặc tính cực kỳ nhẹ và bền. Các chi tiết sợi carbon này thường được cắt từ những tấm sợi carbon sản xuất hàng loạt. Mặc dù các loại khung này là một giải pháp tốt cho các bộ kit drone DIY tại nhà, nhưng chúng được thiết kế để phù hợp với những hệ công nghệ cụ thể và không thực sự linh hoạt trong việc tùy biến.

Tuy nhiên, in 3D vẫn có thể mang lại một giải pháp tiết kiệm chi phí để chế tạo drone DIY, ngay cả khi các chi tiết in 3D không được dùng trực tiếp làm khung. Công nghệ đồ gá nhanh in 3D là một cách đơn giản để tự sản xuất các chi tiết sợi carbon tùy chỉnh ngay tại chỗ.

Khuôn dùng để sản xuất các chi tiết sợi carbon có thể được tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng bề mặt hoàn thiện mịn và thư viện vật liệu phong phú của máy in nhựa Stereolithography (SLA) khiến chúng trở thành lựa chọn phổ biến cho việc làm khuôn nội bộ. Các chi tiết in SLA hầu như không có đường layer hay độ rỗng, vì vậy các tấm sợi carbon có thể được ép chặt vào khuôn mà không lo bề mặt bị sần hoặc tạo vân không mong muốn.

Một cách khác để ứng dụng in 3D trong các linh kiện drone DIY là chế tạo cánh quạt, bộ phận vốn thường được sản xuất hàng loạt. Thiết kế cánh quạt phụ thuộc rất nhiều vào các nguyên lý vật lý của chuyển động không khí và chất lỏng; chỉ một thay đổi nhỏ trong thiết kế cũng có thể tạo ra ảnh hưởng rất lớn đến độ lớn và hướng của lực nâng tác động lên drone. Các cánh quạt ép phun bán sẵn thường có kích thước đồng đều và độ bền cao nhất, nhưng bạn vẫn hoàn toàn có thể tự in 3D cánh quạt của riêng mình. Trước khi bắt tay vào thiết kế, hãy tận dụng các hướng dẫn phong phú từ chuyên gia phần mềm CAD, chẳng hạn như những tutorial với Fusion 360.

Thiết Kế Drone DIY Với Công Nghệ SLS

Lấy ví dụ cụ thể, hãy cùng đi từng bước trong quy trình lắp ráp để thiết kế và chế tạo một chiếc drone DIY góc nhìn thứ nhất (FPV), đáp ứng các quy định của FAA và NDAA.

Xác định thông số:

• Có thể nặng trên 250 gram

• Có Remote ID

• Có GPS

• Có camera và công nghệ truyền hình ảnh

• Sử dụng pin tiêu chuẩn cho hệ thống tàu bay không người lái cỡ nhỏ (SUAS): HRB 2pcs 6S Lipo Battery XT60

• Cấu hình động cơ quadcopter

Lựa chọn linh kiện bán sẵn.
Xem Phụ lục để biết đầy đủ danh sách vật tư (Bill of Materials).

Chọn thiết kế drone:

• Cánh cố định (fixed-wing)

• Quadcopter với tay động cơ tách rời

• Kiểu copter với khung cánh quạt dạng ống dẫn (ducted propeller)

• Tối ưu các đặc điểm nhẹ như cấu trúc lattice

• Đưa thiết kế vào phần mềm thiết kế tạo sinh (generative design) để tìm ra sự kết hợp tối ưu giữa trọng lượng và độ bền, loại bỏ các phần vật liệu không cần thiết

Chọn quy trình in 3D:

• Với drone này, chúng ta cần một vật liệu đủ bền để chịu được trọng lượng pin LiPo mà không làm khung quá lớn hoặc cồng kềnh. Đồng thời, khung drone cũng cần chịu được va đập nhất định và chống chịu được tác động của tia UV.

• Cách tốt nhất để tối ưu độ bền và trọng lượng, đồng thời phù hợp với các linh kiện bán sẵn đã chọn, là chế tạo drone DIY bằng công nghệ in 3D SLS. Sử dụng máy in Fuse 1+ 30W của Formlabs, chúng ta có thể xếp toàn bộ linh kiện drone vào một buồng in duy nhất, in dễ dàng không cần support và hoàn thiện một chiếc drone in toàn bộ với khâu hậu xử lý tối thiểu trong vòng chưa đến 24 giờ.

Chọn vật liệu in 3D:

• Để tối đa hóa độ bền và độ chắc của khung drone, chúng tôi lựa chọn Nylon 12 Tough Powder của Formlabs cho các tay drone, tấm gá linh kiện và nắp che; đồng thời sử dụng TPU 90A Powder cho các spacer nhỏ, gá camera và gá GPS.

• Các chi tiết in bằng Nylon 12 Tough Powder có độ dẻo cao và độ chính xác kích thước rất tốt. Với tỷ lệ tái sử dụng bột chỉ 20%, vật liệu này cũng rất hiệu quả về chi phí khi in.

• TPU 90A Powder đặc biệt phù hợp cho các chi tiết gá cần hấp thụ va đập và bảo vệ các thiết bị nhạy cảm như camera và module GPS. Trong khung drone này, chúng tôi sẽ cắt gá GPS để luồn dây điện — điều này có thể thực hiện với TPU 90A Powder, nhưng không khả thi với các loại bột SLS khác.

In và hậu xử lý:

• Thực hiện theo hướng dẫn in và hậu xử lý tiêu chuẩn

• Các spacer có kích thước khá nhỏ và dễ bị thất lạc trong phần bột dư. Bạn có thể tạo lồng chứa chi tiết để dễ tìm, hoặc in chúng thành dạng lưới và cắt rời sau.

• Với drone in 3D SLS này, bạn cần in Nylon 12 Tough Powder trên một máy và TPU 90A Powder trên máy còn lại.

• Loại bỏ phần bột chưa nung kết. Công đoạn này có thể thực hiện bằng hệ thống Fuse Sift dành cho chi tiết SLS.

• Khi phun bi làm sạch bề mặt, không phun bi đối với các chi tiết in bằng TPU 90A Powder (các gá và spacer).

Lắp ráp drone DIY in 3D:

• Để theo dõi chi tiết quá trình lắp ráp drone, bạn có thể xem hướng dẫn từ Giám đốc Sản phẩm của Building Momentum, ông Henry Sullivan.

• Để tìm hiểu thêm về dòng máy Fuse Series, hãy truy cập trang thông tin của chúng tôi. Nếu bạn muốn thử nghiệm các linh kiện drone in 3D SLS cho dự án của mình, vui lòng liên hệ với đội ngũ kinh doanh để được hỗ trợ.

Phụ Lục: Danh Sách Vật Tư (Bill of Materials)

Bạn chưa chắc giải pháp in 3D nào phù hợp nhất cho doanh nghiệp của mình? Hãy đặt lịch tư vấn 1:1 để so sánh các lựa chọn, đánh giá ROI, thử in mẫu và nhiều hơn nữa.