16.0 CAD Programme und Copter Bauteile Konstruktion und Herstellung

Irgendwann kommt man an einen Punkt da reichen Copter Bauteile von der Stange nicht mehr. Um maßgeschneiderte und präzise gearbeitete Teile und Baugruppen fertigen zu lassen  benötigen wir einen Zettel mit handgezeichneten und bemasten Skizzen, oder aber halt ein CAD-Programm das gleich eine schicke Zeichnung und eine fertige Steuerdatei (DXF-Format, oder HPGL) für die Fräse liefert… Zu teuer darf es nicht sein, möglichst Open Source und plattformunabhängig sollte es sein (für Mac OS, Linux und von mir aus auch MS-Windows), und vor allem zugänglich! – und damit ist eine flache Lernkurve und intuitive Bedienung gemeint. Mal sehen was es da so gibt:

Konstruktionsprogramme

Cad Programme

CAD bedeutet computerunterstütztes Konstruieren. Das sind sehr spezialisierte und in der Bedienung in der Regel recht sperrige Programme. Es gibt sie für zweidimensionales und dreidimensionales Konstruieren. Für Profis gibt es im gehobenen Preissegment zwischen 500-5000 Euro und aufwärts einige Auswahl, im unteren Preissegment ist die Luft recht dünn, und den Open Source Varianten mangelt es an Funktionsumfang oder komfortabler Bedienung. Einzig Blender sticht heraus, aber das hat eine andere Zielgruppe. Im Einzelnen:

  • Libre CAD – 2D, OpenSource, Win / Mac / Linux – brauchbar für einfache 2D Konstruktionen.
  • QCad – 2D, wie LibreCad.
  • FreeCAD – 3D, OpenSource, Win / Mac / Linux – Kann einiges. Sperrig in der Bedienung.
    CadQuery –  Ein CAD Script-Framework, das auch unter FreeCad arbeitet.
  • SketchUp – Einfach zu bedienen. Für einfach Sachen mein Favorit. Die freie Make-Variante hat leider ein paar ärgerliche Mängel (ich sag zB. mal nur „Löcher in runde Flächen“) die einen zur PRO Version verleiten sollen (vermute ich mal). Die Pro-Version ist mir allerdings für den (von mir genutzen) gebotenen Mehrwert dann doch zu teuer. Restriktive Lizenzpolitik: Die Studentenversion für knapp 50 Euro  läuft nur 12 Monate.
  • Designspark 3D-Cad (Macht einen tollen Eindruck, aber nur für Windows)
  • Medusa4 – 2D/3D, deutsche Produkt, mit kostenloser Personal-Edition, Win / Mac? / Linux
  • ProgeCAD – Preist sich als kostengünstige AutoCAD Alternative an
  • Ascon Kompas-3D (nur Windows)
  • Salome – …für numerische Simulationen
  • Tinkercad – von Autodesk funktioniert im Browser und ist für einfache 3D Duck-Teile sehr gut geeignet! Direkte Schnittstelle zu  ThingiverseShapeways und  Minecraft.
  • ViaCad 2D/3D 9 gibt es bei Amazon, für Mac, Linux und Windows. Der Preis ist super und der Umfang, aber das Handling ist doch wieder sehr traditionell technisch. Wer die Einarbeitung nicht scheut sollte sich das anschauen.
  • VariCad für Windows oder Linux richtet sich an Profis, ist in der Bedienung eher traditionell sperrig. Preiswerte Studentenversion.

Andere Programme aus dem Open Source Sektor:

Nur der Vollständigkeit halber die Platzhirsche:

Vektorprogramme

Vektorprogramme sind eigentlich eher zum künstlerischen Zeichnen gedacht.

Platinenlayout Programme (PCB)

Das sind Programme die auf die Erstellung von elektronischen Schaltplänen und das entflechten von Platinen-Layouts  elektronischer Schaltungen spezialisiert sind. Momentan noch kein Thema, aber das könnte sich entwickeln.

  • Eagle – wohl das Maß der aller Dinge in dem Bereich
  • KICAD PCB – Open Source!

Render Programme

Haben eine andere, eher künstlerische Zielsetzung.

  • Blender (3D Renderer und Animation, etc.)
  • Wings3d – Ist auch ein Polygon Modeller für alle Plattformen
  • POV-Ray – Rendern, Ray-Traycing für Leute die lieber Skripte schreiben. Sehr genial.

Da geht bestimmt noch mehr. Wer kennt noch bessere Programme?

Teile konstruieren

Wir verwenden  LibreCad und FreeCad / SketchUP für unsere Teile. Zu LibreCad erstelle ich gerade eine kleine Anleitung:

Libre-Cad Kurzanleitung herunterladen 349,5 KB

Die Versionshistorie und weitere Downloads gibts im Download Bereich. Wer viel Zeit hat: Hier gibt es eine brauchbare Video-Reihe zu LibreCad, und zwei zu FreeCad 1, FreeCad 2.

Ein paar Dinge sind wichtig zu wissen, und zu beachten:

0.) Montagehalterung

Ich hab mit einigen Leuten darüber gesprochen. Die meisten schmeissen den Krempel einfach auf denTisch oder montieren auf einer Bierkiste. wir haben uns trotzdem so ein Ding gebastelt, weil: Ohne ging es einfach nicht wirklich gut. Es ist vorerst nur ein verbastelter Prototyp aus Holz. Ich hätte das Ding gern in ordentlich und in faltbar für den Ausseneinsatz. Kommt… for sure.

1.) Geräteträger und Zentralplatte

Vorab sei bemerkt das dies die Version eins ist mit fest monierten Armen, in der Version zwei wird der Copter klappbar – daran arbeiten wir auch gerade.

Diese Teile bestehen werden in 2.5D konstruiert. Es sind flache Teile die aus Platten herausgeschnitten  werden. Allerdings könnten auch Gravuren in das Material gearbeitet werden, dann taucht der Fräßkopf nicht ganz durch das Material und es muss eine Fräßtiefe angegeben werden.

Der Geräteträger sitzt auf der Zentralplatte. Er hat zwei Ebenen. Die Zentralplatte ist als rote Hilfslinie dargestellt, in dunkelgrün die untere Platte auf der vorne (Rechte Seite im Bild) der PIXHAWK und hinten (links im Bild) der Empfänger GR-24 sitzt. Die obere Platte für das GPS ist hellgrün, und hat ein Bohrloch für den Taster. Auf der Unterseite ist Platz für den I2C-Splitter vorgesehen. Die kleineren Bilder zeigen die Positionen im Detail.

Ich drucke mir die Teile immer wieder zwischendurch auf Papier oder stärkeren Karton aus und schneide sie mir zurecht um sie am Modell zu überprüfen.

Oberer und unterer Geräteträger auf Vulcan UAV Zentralplatte.

Oberer und unterer Geräteträger auf Vulcan UAV Zentralplatte mit Stromverteiler.

Die Lochabstände muss ich noch überprüfen, und vielleicht gibts noch ein paar Aussparungen zur Gewichtsreduktion, aber dann sind diese Teile erstmal fertig für die Produktion. Die Datei gibt es auf unserer Download-Seite zum herunterladen.

Das ganze ist immer noch recht mühselig, da ich auch noch grob alle zu platzierenden Anbauteile für die Bibliothek baue. Das ist notwendig da man nur so ein Gefühl für die Größenverhältnisse bekommt. Ausserdem probiere ich  immer wieder neue Sachen aus.  Wenn man mal einige Grundprinzipien verstanden hat erschließen sich viele der Befehle fast von selbst. Das lässt hoffen. Die Fallstricke – und da gibt es ein paar – arbeite ich auf jeden Fall in die LibreCad Anleitung ein. Interessanter sind dann die Problemstellungen die sich durch die Konstruktion ergeben. Sind die Kabelwege optimal, sind die Bauteile so verteilt das der Schwerpunkt möglichst im Zentrum liegt? Sind alle Schrauben und alle Bauteile zugänglich? Gibt es ungewollte Schwach- bzw. Bruchstellen, schaut das ganze optisch gut aus (Symmetrie)? Erfülle ich mein Ziel der Gewichtsreduktion bei optimaler Stabilität?…und so weiter.

2.) Motorträger

Ziel ist es die Kabel auf dem kürzesten Weg durch den Ausleger zu führen. Die Motoren sollen auf der Achse enger zusammen rücken und der Träger sollte weniger im Windkanal liegen, sodass sich das Strömungsverhalten verbessert. Im „Zwischenboden“ soll Raum für ein Positionslicht geschaffen werden, dessen Leitungen auch durch den Ausleger geführt werden. Ausserdem hab ich auch hier eine Gewichtsreduktion im Sinn. Zu beachten ist das durch die leistungsstarken Motoren nennenswerte Torsionskräfte auf das Bauteil wirken. Für das andere Ende der Ausleger müssen evtl. Schellen konstruiert werden.

Multicopter-Motortraeger-001

Motorträger mit reduzierter Höhe und Kabelverlegung durch den Ausleger (Work in Progress)

Schnittbild zum Motorträger

Schnittbild zum Motorträger

3.) Halter für die Steller

Manche Copter bringen die Steller direkt am Motorträger an und haben dort eine Halterung integriert. Diese Lösung hat den Vorteil das die Steller direkt im Luftstrom der Motoren liegen. Das widerspricht allerdings der Regel das die Kabel zwischen Akku und Steller möglichst kurz sein sollen. Die meisten Multikopter haben deshalb die Steller am anderen Ende der Ausleger, möglichst in der Nähe des Zentrums montiert. Ich möchte die Steller nur ungern mit Bündelbändern oder Tape direkt am Ausleger befestigen, und in der Zentralplatte ist kein Platz dafür. Deshalb entwerfe ich gerade eine Halterung. Hier mal ist ein früher Zwischenstand:

Ein Halter für Steller (Work in Progress)

 

4.) Halterung für den PX4Flow Sensor

<demnächst>

5.) Adapter für Gimbal & einziehbare Landebeine

Ja, richtig gelesen. Wir tun es doch, und es wird ein dreibeiniges Landegestell – so der Plan. Wir finden einfach das unser Fluggerät sowas haben muss. Das erhöht den Coolnessfaktor um 100%….  mindestens. Ausserdem ist es praktisch. Für unser Projekt verwenden wir diese Retracts von RCTimer, und ein paar Anbauteile. Wie das mit dem Gewicht wird müssen wir sehen. Die 5kg Grenze gilt ja. Wie immer gibt es zunächst eine grobe Kitzelskizze:

Flotte Skizze zum Adapter für Gimbal und Landegestell

Flotte Skizze zum Adapter für Gimbal und Landegestell

Für den Adapter benötigen wir zwei kreisrunde, 1,5 oder 2 mm dicke  Cfk-Platten mit einem Durchmesser von 13cm. Die untere Platte bekommt zusätzlich eine 5 cm breite Ablagefläche für den Gimbal Akku spendiert, der in Flugrichtung nach hinten befestigt wird. Die drei Ausleger für die Landebeine bestehen aus 2mm starkem CFK-Vierkantrohr 20×20 / 16×16 von  jeweils 105mm Länge, und liegen jeweils zwischen den Motor-Auslegern. Das Ganze wird mit 4 bis 6 Distanzbolzen von 50mm länge am Motorträger befestigt.

5.) Einziehbare Teleskop-Landebeine (mit strammer Federung)

Dazu gibt es einen recht konkreten Plan in meinem Kopf, der aus teleskopierbaren CFK-Stäben und Federn besteht, zum Beispiel solchen Druckfedern. Sollte ich dringend mal aufmalen. 🙂

Teile herstellen

Wenn man sich Teile für den Copter selber entworfen hat möchte man sie gerne fräsen. Eine Fräse selber bauen wäre zwar auch mal ein geiles Projekt, aber das würde zu weit führen, eine Portalfräse kaufen ist eine teure Option, und vor allem müsste diese Investition auch ausgelastet werden. Das sind also eigene umfangreiche Projekte die sich nur Lohnen wenn man mehr damit vor hat. … also… wo lässt man am GFK bzw. CFK Teile fräsen, und was sind die Voraussetzungen dafür?

Voraussetzungen

Dazu gibt man die CAD-Zeichnung beim Dienstleister ab. Sinnvoll ist es wenigstens ein Referenzmaß separat mit anzugeben – zB. den Aussendurchmesser des Bauteils – das hilft Fehler zu vermeiden. Ausserdem das gewünschte Material und die dicke des Materials. Der Dienstleister wandelt dann die CAD-Zeichnung mit einem CAM Programm in Maschinencode um. Dieser ist abhängig von der verwendeten Maschine: ZB. G-Code oder HPGL etc.

Quellen für Rohmaterial

CFK oder GFK 2D Teile fräsen oder fräsen lassen

3D Teile drucken lassen

Für Multicopter Anbauteile eignet sich mittlerweile auch hervorragend der 3D-Druck. Auch hier gilt wieder: Selber kaufen zu teuer… also muss ein Druckdienst her…

Vorlagen für alles mögliche findet man bei…

Aluminium

Aluminium kann man auch gut 3D oder 2D fräsen lassen, aber nicht jedes Aluminium ist geeignet. Es gibt Alu, das ist verdammt schwer zu fräsen was dann auch teuer ist… Hier muss ich nochmal was recherchieren, da wir vielleicht die Adapter zwischen Landebein-Ausleger und Retract (einziehbaren Landebeine) besser in Alu hätten. Mal sehen.

Holzteile mit dem Laser schneiden

Statt die Laubsäge zu schwingen könnte das zum Bau von Prototypen eine perfekte Lösung sein.

Ein Kommentar zu “16.0 CAD Programme und Copter Bauteile Konstruktion und Herstellung
2 Pings/Trackbacks für "16.0 CAD Programme und Copter Bauteile Konstruktion und Herstellung"
  1. […] Da die Lieferung der Kabel und Stecker auf sich warten lässt, beschäftigen wir uns zwischenzeitlich mal mit dem Entwurf des Adapters. Unterhalb soll das Gimbal seinen Platz finden,  im Zwischenboden ist Platz für die Gimbal Steuerung und den Akku, und an den Auslegern wird das einziehbare Landegestell befestigt. Details dazu im Kapitel 16.0 Konstruktion… […]

  2. […] Wir modifizieren diese Basis weitestgehend: Centerplate, Geräteträger, Motorträger, Landegestell und Adapter fürs Gimbal stehen auf dem Programm. Wie wir diese Teile konstruieren steht hier. […]

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