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SpaceframeQuad – Quad Frame mal anders

Mit diesem Beitrag geht ein Projekt in die letzte Phase, welches von Beginn an nicht besonders sinnvoll, aber ausgesprochen unterhaltsam war: Ein Quadcopter-Frame, das seine Festigkeit nicht über besonders robust dimensionierte Teile erhält, sondern als Raumgitter ausgelegt ist. Das Resultat ist ein überraschend stabiles und gleichzeitig leichtes Frame – ohne den Einsatz von Kohlefaser-Werkstoff.

spaceframequad revC

In letzer Zeit bin ich immer häufiger der Konstruktions-Software Solidworks begegnet, durch meinen verstärkten Kontakt mit Leuten aus dem Maschinenbau etc. Die klassischen Architektur- und 3D-Design-Softwares, welche mir vertraut sind, haben im Bereich der mechanischen Konstruktion ihre Schwächen, besonders wenn es um robustes Solid-Modelling geht.

Rev. C

Das vorliegende Design ist ist entstanden als letzte Iteration eines bestehenden Designs, da ich ein passendes Projekt brauchte, um mir selbst Solidworks beizubringen. Im gleichen Zug wollte ich die mechanischen Schwachstellen des Projekts ausmerzen. Ich habe also das Projekt nochmals ausgegraben und mit einigen Änderungen als Lern-Objekt komplett neu aufgebaut.

spaceframequad revC

Alle Teile sind nun aus POM hergestellt, und die Verbindungen sind so ausgelegt, dass sie auch Zugkräfte übertragen können. Ein kleiner Nachteil in dieser Design-Iteration ist, dass die linearen Elemente nicht mehr die selbe Knicksteifigkeit auf Schub aufweisen wie die CF-Stäbe. Dieser Kompromiss war mir beim Entwurf natürlich klar, ich wollte das Objekt aber trotzdem ausführen, da mir alleine schon die Idee und das Prinzip des Zusammenbaus gefallen. “Kill your darlings” muss ja nicht bei jedem Entwurf der Leitgedanke sein… :) Ich rede mir einfach ein, dass dieses Design statt durch massive Robustheit durch leichtgewichtige Flexibilität brilliert.

CAD

Die Konstruktion ist vollkommen parametrisch aufgebaut. Die Dimensionen beruhen auf einem Grundriss-Quadrat für die Motor-Positionen und einer Seitenansicht mit den relevanten Höhen-Dimensionen. Sämtliche Ausschnitte und und Zapfen sind aufeinander bezogen und passen sich bei bei Veränderung der Basisdimensionen automatisch an.

spaceframequad-cad-04-1

(Ja, ich gebe es zu, sogar die für das Modell absolut nicht notwendigen Kabel passen sich automatisch an… Dafür bin ich jetzt mit den grundlegenden Prinzipien von Solidworks gründlich vertraut :)

Bau

Die Frame-Teile sind gelasert aus 3mm POM Plattenmaterial. Der Epilog 36EXT mit 60W schneidet das 3mm POM mit der Einstellung für 4mm PMMA problemlos (Speed 15%, Leistung 85%). Eine Verschnittkorrektur (für 0.15mm Verschnitt) empfiehlt sich, da die Verbindungen sonst zu viel Spiel haben. Das Zusammenstecken des Frames geht in 5 Minuten von der Hand. Der Einbau der Elektronik ist ebenfalls ereignislos, nach kurzer Zeit hat man einen flugfähigen Copter vor sich.

Download

Zu jedermanns privater Erbauung stelle ich hier gerne die Pläne zur Verfügung. Alleine das Zusammenstecken der gelaserten Teile ist ein ausgesprochenes Vergnügen, das man sich nicht entgehen lassen sollte. Für den ganz ernsthafen Gebrauch ist vermutlich ein kommerzielles Kohlefaser-Frame die bessere Lösung.

Download Schnittdaten PDF (274kB)

Komponenten

1 POM-C, 3mm stark, 500mm x 250mm
4 T-Motor MT2208 mit 8″…9″ Props
4 ESC BlueSeries 20A mit SimonK Firmware
1 KK2.0 Board
1 Akku LiPo 3S 1800…2200 mAh
4 LED-Strip 12V für Positionsleuchten
1 Empfänger nach Geschmack (FrSky X6R)
1 Kabelbaum für Power Distribution, selbstgelötet
x Schrauben M3x16mm
x ZipTies, Stecker, etc…

 

Rev. A

Die erste Iteration dieses Projektes ist vor 2 Jahren entstanden, als ich den Lasercutter im FabLab Zürich entdeckt habe. Das Design war in erster Linie ästhetisch motiviert (ich bin schliesslich Architekt von Ausbildung… ;) und entstand in Cinema4D. Die Konstruktion hatte zwei Schwachstellen: Ästhetisch ist Acrylglas (PMMA) nett anzuschauen, es lässt sich gut lasern, taugt aber nicht als Konstruktionswerkstoff, das es zu spröde ist. Konstruktiv nicht zu Ende gedacht waren die linearen Elemente, Kohlefaser-Stäbe, welche an den Verbindungsstellen geklebt waren. Diese Klebstellen waren die Schwachstelle, da sie nicht genügend Zugkräfte übertragen konnten. Diese erste Iteration ging nie in die Luft, sondern direkt als Dekorationsobjekt an die Wand.

spaceframequad revA

Rev. B

Etwas später habe ich das selbe Design nochmals aus POM (auch bekannt unter dem Markennamen Delrin) hergestellt. POM liess sich auf dem schwachen Laser im FabLab nicht lasern, da ich aber kurz vorher auch gelernt hatte, mit der CNC-Fräse umzugehen, habe ich die Teile kurzerhand gefräst. Die konstruktive Schwachstelle bleibt allerdings, noch verstärkt durch den Umstand, dass konventionelle Klebstoffe an POM nicht gerne haften bleiben. Die zweite Iteration aus POM flog erfolgreich und war ähnlich robust wie meine bisherigen Billig-Frames – bis die Klebestellen den Geist aufgaben.

spaceframequad revB

 

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