應用案例

醫療教育 | 2025.06.12

DIY無人機:如何製作無人機

Skydio或 DJI等大型製造商生產的現成無人機價格低廉且易於購買,但訂購的就是得到的——根據您自己的應用定制無人機可能會變得困難。 

 

即使是預製的無人機套件,也會限制您做出設計選擇的能力,例如優化速度或利用現有材料來節省成本。 DIY 無人機可讓您輕鬆客製化無人機,以滿足您的獨特應用需求。在本指南中,我們將詳細介紹無人機的組裝步驟,提供易於取得(且可自訂)的物料清單,並探討不同方法、材料和組件的優勢。 

 

了解無人機物理學

 

無人機類型資訊圖

在建造您自己的 DIY 無人機之前(我們稍後將介紹四軸飛行器的設計過程),您應該了解無人機設計和性能的基礎知識。 

 

首先,為什麼是四軸飛行器無人機?四軸飛行器無人機用於無人機競賽、監控、研究、建築工地監控等等。它們的主要優勢在於機動性和懸停能力,這使得它們非常適合犯罪現場監控或農業測繪等監控應用。相較之下,國防工業使用的類似飛機的無人機,被稱為「固定翼」無人機,則更注重長航時和重載。 

 

雖然您絕對可以建造 DIY 固定翼無人機,但著陸和起飛過程更加複雜,如果這是您的第一次建造和設計,四軸飛行器的設計將更加簡單。 

 

四軸飛行器無人機透過引擎向下推動空氣產生“升力”,從而飛離地面。四軸飛行器的兩個引擎順時針旋轉,另外兩個引擎逆時針旋轉。這些相反的力使四軸飛行器保持平衡;想像一下,一架直升機用主螺旋槳產生升力——它必須依靠尾部的小旋翼來保持平衡才能保持水平;它通過調節兩個不同的“升力”來保持空中平衡。 

無人機框架尺寸、形狀和材質

 


ION Mobility的這款無人機的主要技術組件(容納電池、GPS 和 VTX 的中心部分)以及環繞現成馬達和螺旋槳的薄部件,都採用了 SLS 3D 列印技術。借助 3D 列印技術,ION 團隊能夠優化這款無人機的穩定性和耐用性——框架可以在發生碰撞或粗暴著陸時保護螺旋槳。

你的DIY無人機框架至關重要——框架佔據了無人機體積的絕大部分,需要耐用、輕巧且堅固。無人機框架的作用是作為電子設備的底座,以及電機臂的中心連接點。無人機的尺寸是透過螺旋槳葉片之間的距離來衡量的,因此「550無人機」指的是螺旋槳葉片之間的距離為550毫米。大多數FPV無人機,例如最受歡迎的大疆型號,直徑約為200至300毫米,這使得它們速度快且靈活。然而,這些無人機框架在靈活性方面的優勢,往往會在飛行時間上有所損失——它們的小巧框架無法攜帶大容量電池,導致飛行時間通常不足一小時。 

 

大多數量產無人機的機架都是用注塑塑膠(例如 ABS)製成的。對於 DIY 無人機,您可以購買機架和旋翼臂的 ABS 組件,也可以購買易於加工和組裝的碳纖維機架。或者,您可以使用 3D 列印技術設計一個獨特的機架,專門用於您的應用,將馬達、線路、電池和導航組件組裝在一起,而這些組件通常無法組合在一起。總而言之,DIY 無人機完全由您自己決定,而 3D 列印技術則將這一過程提升到了一個新的高度,打破了預設 DIY 無人機「套件」的限制。 

 

SLA 3D 列印機可以使用 Formlabs 的Tough 1500 V2 樹脂等材料來製作無人機框架,這種材料可以承受與注塑聚丙烯相同的衝擊力。或者,可以使用 SLS粉末(例如Nylon 12 Tough Powder),這種粉末無需支撐即可構建,從而能夠優化有機幾何形狀,以實現出色的強度重量比。 

 

 

3D 列印材料已經取得了長足的進步,能夠承受反覆的壓力和衝擊,同時仍保持功能性。 Formlabs 的 SLA 樹脂(例如 Tough 1500 V2 樹脂,左圖)和 SLS 粉末(例如 Nylon 12 Tough Powder,右圖)經過精心設計,具有出色的功能強度和抗衝擊性,非常適合無人機應用。

 

確定你的DIY無人機設計參數

Nextech 的固定翼無人機這款農業測繪無人機採用固定翼設計,飛行速度快、飛行距離遠,無需優先考慮機動性或懸停能力。 (圖片由Nextech提供)

在選擇組件之前,設計和製造您自己的客製化無人機的第一步是透過回答以下問題來設定一些初始參數:

 

  • 應用:如何針對預期應用最佳化設計? 

    • 所有無人機都需要平衡結構完整性和重量,以便它們能夠支撐其有效載荷,而不會過快耗盡電源。 

    • 配送無人機需要體型較大,並配備強大的電源來運載重物。競速無人機需要重量輕且機動性強,而監控無人機則需要優化設計,以搭載高品質的攝影系統。 

    •  

  • 法規:我需要注意哪些法規? 

    • 各國法規各不相同。例如,在美國,重量低於 250 克的無人機無需 FAA 執照即可飛行(用於娛樂);而重量超過 250 克的無人機則需要由持有 FAA 執照的操作員駕駛,並且需要申請當地特定區域的飛行許可。要獲得執照,您需要參加筆試並支付費用。 

    • 所有無人機均需在 400 英尺以下飛行,且無人機無法在距離機場 5 英里的範圍內飛行。 

    •  

  • 成本:我應該在零件上花多少錢? 

    • 根據預算混合搭配現成的組件。這就是使用 3D 列印技術製作無人機框架和機臂的妙處——你可以用各種價格更低的組件來建造你的框架,而這些組件原本無法組裝到標準框架上。

為你的無人機選擇一種製造方法

 

fdm、sla 和 sls 3d 列印防水外殼對於水下無人機(UUV)來說,3D列印或許是個不錯的選擇,儘管FDM 3D列印零件(例如左側的機艙)並非防水。 SLA(中間艙體)和SLS(右側艙體)已經在水下高壓環境下進行了測試,以確保精密電子設備的安全。 

 

您可以選擇完全現成的無人機組件、預設的無人機套件或完全原始的設計(以及如何製作這些零件)。大多數無人機套件都附帶組裝說明,因此本指南將重點介紹如何組裝完全原始設計的DIY無人機,並使用3D列印技術製作非電氣零件。然而,對於無人機套件和現成的無人機,3D列印可以提供一種良好的替換零件製造方法,或用於增強、固定或改裝預製無人機的零件。

DIY無人機的3D列印

 

雖然大多數無人機愛好者可能熟悉熔融沈積成型 (FDM)技術,該技術利用噴嘴像熱熔膠槍一樣一次擠出一層耗材,但這種 3D 列印技術並不適用於功能性無人機。 FDM 3D 列印零件的材料特性各向異性,這表示在受到衝擊或承重應變時,零件可能會沿著層線剝落。雖然價格實惠、速度快的 FDM 3D 列印仍然適用於無人機零件的原型設計,但最終用途的無人機製造應該依賴更實用的 3D 列印技術。 

 

SLA 3D 列印機既可以製作無人機零件原型,也可以生產最終用途的高品質組件。 SLA 3D 列印無人機零件的材料特性是各向同性的,因此衝擊和承重不會像 FDM 3D 列印零件那樣導致沿層線的分層效應。此外,SLA 3D 列印提供多種材料,可根據具體應用選擇,以最符合工作需求。例如,水下無人機 (UUV) 需要為其電子設備提供防水外殼。 SLA 3D 列印 UUV 組件是理想的選擇,尤其是在使用柔性材料(例如 Formlabs 的矽膠 40A 樹脂)製作墊圈和密封件時。 

 

像 Tough 1500 Resin V2 這樣的耐衝擊材料是列印薄壁外殼、支架和蓋子的理想選擇。 SLA 零件的光滑表面還能提升零件的專業外觀,提升無人機的整體美感。 Form 4 和 Form 4L 等高速 SLA 3D 列印機每天可以多次列印原型,在無人機設計的迭代階段非常有用。 

 

SLS 3D 列印為無人機設計提供了許多獨特優勢。粉末床熔融技術在列印過程中為零件提供支撐,確保無支撐痕跡,並可實現複雜、有機的幾何形狀,從而有助於優化輕量化強度,且不增加體積。市面上有售的 SLS 粉末,例如 Formlabs Nylon 12 Tough Powder,非常耐用,且已在工業承重應用中得到驗證。對於 3D 列印的 DIY 無人機,向服務機構訂購 SLS 零件是獲得功能齊全、耐用且堅固的無人機框架的最佳方式,並且成本最低。如果您正在為您的企業設計和製造一到五架無人機(即無人機即服務),那麼外包 3D 列印是最經濟實惠的選擇,而且 SLS 無人機組件兼具最佳的幾何自由度和功能強度。 

對於那些希望開始生產大量 3D 列印無人機的人來說,使用 Fuse 1+ 30W SLS 3D 列印機將 SLS 引入公司內部可以降低前期成本,同時實現生產工作流程。 

使用 3D 列印工具製作 DIY 無人機

 

碳纖維無人機框架

這款競速無人機的框架由碳纖維片切割而成的獨立零件組成。它極其輕巧,能夠承受衝擊,但很難根據獨特的技術堆疊或有效載荷進行客製化。

 

許多以消費者為中心的無人機都使用碳纖維機身框架,因為它們重量極輕且強度高。這些碳纖維部件通常是從大量生產的碳纖維片上切割下來的。雖然這些框架對於家用DIY無人機套件來說是一個不錯的解決方案,但它們是根據特定的技術堆疊定制的,並非真正可自訂。 

然而,即使 3D 列印零件不用於框架本身,3D 列印也可以提供一種經濟實惠的方式來製造 DIY 無人機。 3D 列印快速模具是一種在內部製造客製化碳纖維零件的簡單方法。 

 

用於生產碳纖維部件的模具可以採用多種技術製作,但立體光刻 (SLA) 樹脂 3D 列印機憑藉其光滑的表面和豐富的材料庫,成為內部模俱生產的常見選擇。 SLA 零件幾乎沒有層線或孔隙,因此碳纖維片材可以牢固地壓入模具中,而無需擔心產生紋理表面。

另一種利用 3D 列印技術 DIY 無人機組件的方式是製作通常大量生產的螺旋槳。螺旋槳的設計高度依賴空氣和水流運動的物理原理——設計上的微小變化可能會對作用於無人機的「升力」大小和方向產生巨大的影響。現成的射出成型螺旋槳尺寸最一致,強度也最高,但您也可以 3D 列印自己的螺旋槳。在設計之前,請充分利用 CAD 軟體專家提供的眾多教程,例如 Fusion 360 教程。 

 

使用 SLS 設計 DIY 無人機

 

舉例來說,讓我們逐步完成組裝過程,設計並建造一個符合 FAA 和 NDAA 規定的 DIY 第一人稱視角 (FPV) 無人機。 

  1.  

  2. 1. 識別參數: 

1. 可超過250克

2. 有遠端 ID 

3. 有GPS 

4. 擁有攝影機和視訊傳輸技術

5. 使用標準小型無人機系統(SUAS)電池:HRB 2pcs 6S Lipo 電池 XT60 

6. 四軸飛行器發動機類型

  1.  

  2. 2. 選擇現成的組件:完整的物料清單請參閱附錄。 

  3.  

  4. 3. 選擇您的無人機設計:固定翼、帶間隔臂的四旋翼直升機、帶管道螺旋槳框架的直升機式

    1. 1.針對格子等輕量級功能進行最佳化

    2. 2. 透過產生設計程式運行您的設計,找到重量和強度的最佳組合,消除不必要的體積 

  5.  

  6. 4. 選擇 3D 列印流程:

    1. 1. 對於這款無人機,我們需要一種堅固的材料,能夠承受鋰聚合物電池的重量,但又不能太大或太笨重。我們還需要無人機框架能夠承受一定的衝擊力,並能抵抗紫外線照射。 
    2.  

    3. 2. 優化強度和重量,同時又能相容於我們特製的現成組件的最佳方法是使用 SLS 3D 列印技術來打造 DIY 無人機。使用 Formlabs 的 Fuse 1+ 30W,我們可以將所有無人機部件打包在一個打印腔中,無需支撐即可輕鬆打印,並在不到 24 小時內交付一台完全打印的無人機,且幾乎無需任何後處理。 

  7.  

  8. 5. 選擇 3D 列印材料:

    1. 1. 為了最大限度地提高無人機框架的強度和耐用性,我們將選擇 Formlabs Nylon 12 Tough Powder 作為機臂、組件板和蓋子的材料,並選擇 TPU 90A Powder 作為小墊片、相機支架和 GPS 支架的材料。 
    2.  

    3. 2. 尼龍 12 Tough Powder 零件延展性極佳,尺寸精度極高。這種材料的列印刷新率僅為 20%,而且極具成本效益。

    4.  

    5. 3. TPU 90A 粉末非常適合用於需要吸收衝擊力並保護相機和 GPS 模組等精密儀器的支架。在這個無人機框架中,我們將切割 GPS 支架以便穿過電線,這可以用 TPU 90A 粉末來實現,但其他 SLS 粉末則不行。 

  9.  

  10. 6. 列印和後製:

    1. 1. 按照列印和後期處理的說明進行操作
      1.  墊片非常小,很容易被多餘的粉末弄丟。您可以建立一個部件籠以便輕鬆找到它們,或將它們列印成網格的一部分,稍後可以將其剪掉。 

    2. 2. 對於我們的 SLS 3D 列印無人機,您需要在一台印表機上使用尼龍 12 韌性粉末進行列印,在另一台印表機上使用 TPU 90A 粉末進行列印。 

      1. 1. 去除未燒結的粉末。這可以在 SLS 元件的 Fuse Sift 中完成。 

      2. 2. 對於噴砂,請勿對 TPU 90A 粉末部件(支架和墊片)進行噴砂

  11.  

  12. 7. 組裝你的 3D 列印 DIY 無人機: 

    1. 更多有關無人機建造過程,或了解更多 Fuse 系列的信息,請追蹤我們的網頁掌握最新的第一手資訊。

    2.  

 

如需了解如何為您的專案測試 SLS 3D 列印無人機組件,請聯絡我們。 

 

附錄:物料清單

 

物品
描述 每架無人機數量
電池安裝帶 電池帶 2
硬體 M3方螺帽【車架通用】 12
硬體 M3 x 16mm 凸緣圓頭螺絲 [框架通用] 12
硬體 M3 墊圈 [] 6
硬體 M3 x 10mm 螺絲 [馬達] 16
硬體 M2 x 16mm 平頭螺絲 [VTX] 4
硬體 M2 墊圈 [VTX] 4
硬體 M3 x 30mm F;平頭螺絲[FC 堆疊] 4
電池連接器 XT60 EM 1
sUAS電池 Dronetag BS V2 遠端 ID 模組 1
sUAS電池 HRB 2 顆 6S 鋰電池 XT60 22.2V 4000mAh 60C 1
電池適配器 3 件裝 XT90 公頭轉 XT60 母頭連接器轉換器轉接器,適用於 LiPo 電動四輪車/ESC 1
天線連接器 SMA 轉 U.FL 電纜 30 厘米 1
圖傳天線 LHCP SMA 125mm 紅色天線 1
VRX Walksnail Avatar 高清護目鏡 1
遙控接收 HGLRC Gemini ELRS 2.4GHz RX 雙接收器 1
遙控發射 RadioMaster Boxer 無線電發射機 - 四合一 1
ESC鍵 Hobbywing XRotor Micro 65A 6S BLHeli_32 四合一電調 - 30x30 1
飛行控制器 RADIX 2 HD 飛行控制器,基於 H7 的高清(數位)FPV 系統飛行控制器 1
全球定位系統 Lumenier SAM-M10Q GPS 模組 - NDAA 1
高清圖傳 Walksnail Avatar HD 套件 V2 - 8GB - 附陀螺儀 1
FPV同軸電纜 Walksnail Avatar 同軸電纜 20cm 1
引擎 T-Motor CINE系列Cine66 2812馬達 - 925KV 4
道具 HQProp 7.5X3.7X3聚碳酸酯螺旋槳 4
電池充電器 iSDT 608AC 智慧型電池充電器交流 50W 直流 200W 8A 帶可拆卸電源 1
利波袋 LiPo收納袋 1

 

 

 

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