Žádný materiál není „na drony”. Vybírá se díl po dílu podle čtyř otázek: jak je díl zatížený, jak je kolem něj teplo, jestli je venku na slunci a jak přesně musí sedět. Zhruba platí — PETG na kryty a nenamáhané držáky uvnitř stroje, ASA tam, kde je slunce a teplo, PA a PA-CF na tuhé a houževnaté konzoly a držáky, TPU na všechno, co má tlumit, pružit a přežít tvrdý dosed, karbon nebo obráběný hliník na hlavní nosnou konstrukci. A jedno pravidlo nad všemi materiály: nosné, rotující a letově kritické díly bez výpočtu a testu nevyrábíme a žádný materiálový list to nenahradí.
Kdy materiál nejdřív probrat s dílnou
Nosné rameno, motorové lože ani držák těžkého senzoru nevybírejte jen podle názvu filamentu. Selhání takového dílu může ohrozit stroj i okolí. Pro 3D tisk dílů pro drony v Brně pošlete model nebo fotky a popis zatížení. Posoudíme použití, navrhneme konstrukci s materiálem a způsobem ověření a po odsouhlasení nabídky vyrobíme domluvený díl.
Materiál se nevybírá podle jména, ale podle práce, kterou má díl odvést
Otázka, která u zakázkového dílu obvykle přijde první, zní „z čeho to vytisknete”. Pořadí je přitom opačné: nejdřív se popíše, co má díl vydržet, a materiál z toho vypadne skoro sám. Ptáme se na čtyři věci a pátou si hlídáme sami.
Jak je díl zatížený? Jiný materiál snese pomalu rostoucí ohyb, jiný náraz při dosedu a jiný statisíce drobných kmitů z motorů. Tuhost a houževnatost jdou navíc proti sobě: co je hodně tuhé, bývá křehčí, a co snese ránu, se pod zatížením víc prohne. U dronu se nerozhoduje mezi „pevné” a „nepevné”, ale mezi „tuhé, ale praskne” a „ohne se, ale drží”.
Jak je kolem něj teplo? Černý kryt na slunci, díl u regulátorů, u motoru nebo nad baterií se dostane na teploty, které tištěné PLA vzdá bez varování. Tady se nerozhoduje podle teploty vzduchu, ale podle teploty toho konkrétního místa v sestavě.
Je díl venku? Ultrafialové záření, déšť, mráz a rosa dělají s polymery víc než mechanika. Materiál, který uvnitř trupu vydrží roky, může na horní ploše rámu po jedné sezóně zežloutnout a zkřehnout.
Jak přesně musí sedět? Držák, který se zacvakne do gimbalu, potřebuje jinou rozměrovou stabilitu než kryt, u kterého půl milimetru nikdo nepozná. A některé materiály rozměr mění samy — nylon je nasákavý a po týdnech ve vlhku se chová jinak než čerstvě vysušený.
A pátá věc, kterou hlídáme my: hmotnost. Každý gram navíc jde do vzletové hmotnosti stroje a ta má své souvislosti — provozní i právní. Ty tady nerozebíráme, obecné podmínky provozu bezpilotních letadel patří na ÚCL.
Kvalitativní srovnání: co který materiál umí a čím se za to platí
Tabulka je záměrně slovní. Čísla z materiálových listů popisují zkušební tělísko z čisté suroviny za definovaných laboratorních podmínek — ne váš díl v konkrétní geometrii, s konkrétní orientací vrstev a po půl roce na sluníčku. Kde v tomhle článku číslo je, je u něj napsané, čí je a odkud.
| Materiál | Tuhost | Houževnatost (ráz) | Teplo | Venku a UV | Kde na dronu dává smysl |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA / PLA+ | vysoká, ale křehká | nízká | nízká | slabé | maketa, přípravek, zástavbový model — ne letový díl |
| PETG | střední | dobrá | nízká až střední | průměrné | kryty elektroniky, vnitřní držáky, tvarové vložky |
| ASA | střední | dobrá | dobrá | velmi dobré (uvádí se jako UV stabilní) | venkovní kryty, držáky na slunci, díly u zdrojů tepla |
| ABS | střední | dobrá | dobrá | slabší než ASA, časem žloutne | prototyp před sériovou výrobou jinou technologií |
| PA (nylon, PA12) | střední | velmi vysoká | dobrá | dobré, ale materiál je nasákavý | konzoly, klipy, díly namáhané opakovaným ohybem |
| PA-CF (nylon s uhlíkovým vláknem) | vysoká | dobrá, ale nižší než čistý PA | velmi dobrá | dobré | tuhé držáky senzorů, konzoly, rámečky, distance |
| TPU (podle tvrdosti Shore) | nízká a řízená tvrdostí | velmi vysoká | nízká až střední | dobré | tlumení, průchodky, nárazníky, ochranné prvky |
| Karbonový kompozit (deska, trubka) | velmi vysoká | závisí na laminátu, citlivý na hranu a delaminaci | dána pojivem | dobré s ochrannou vrstvou | hlavní nosná deska, ramena |
| Obráběný hliník | vysoká | vysoká | vysoká | dobré | spojky ramen, uchycení motorů, kritické konzoly |
PETG
Univerzální pracant. Tiskne se bez dramat, drží rozměr, snese ránu líp než PLA a nestojí nic navíc. Platí se za to teplem: díl z PETG blízko regulátorů nebo pod tmavým krytem na letním slunci měkne dřív, než čekáte. Na kryty, vnitřní držáky a vše, co je ve stínu a nenese, je to rozumná výchozí volba.
ASA (a ABS)
Tam, kde je slunce, patří ASA. Prusa u svého filamentu Prusament ASA uvádí, že materiál je UV stabilní a že se známky deformace neprojevují až do teplot kolem 93 °C — je to údaj výrobce filamentu o jeho surovině a jeho zkušebních podmínkách, ne příslib chování vašeho dílu. ABS má podobné mechanické chování, ale na přímém slunci časem žloutne a křehne; proto se dnes na venkovní díly bere spíš ASA a ABS zůstává u prototypů. Případová studie Fillamentum popisuje přesně tenhle postup u výrobce FPV dronů Rotorama: ABS Extrafill slouží na prototypy před sériovou výrobou z karbonu.
PA a PA-CF
Nylon je materiál pro díly, které to schytávají opakovaně — klipy, konzoly, západky, díly ohýbané tisíckrát za let. Ohne se a vrátí, místo aby praskl. Dvě daně: nasákavost (suší se před tiskem a rozměr se v čase mění) a vyšší cena zpracování.
Přidání uhlíkových vláken (PA-CF) mění poměr: díl je výrazně tužší, rozměrově stabilnější a snese víc tepla, ale ubere se z té houževnatosti, kvůli které jste nylon brali. PA-CF je proto dobrý na tuhé držáky senzorů a distanční prvky, ne na díl, který má tlumit náraz. A pozor na záměnu jmen: „karbonový” držák z PA-CF je plněný plast, ne karbonový kompozit z tabulky níž. To jsou dva úplně jiné materiály se stejným marketingovým slovem.
TPU
Jediný materiál v seznamu, u kterého je měkkost účel, ne kompromis. Vybírá se tvrdostí: měkčí tlumí a deformuje se, tvrdší už drží tvar a přitom snese ránu. Zmíněná studie Fillamentum uvádí u Rotoramy Flexfill TPU ve tvrdostech Shore 92A a 98A na tištěné díly dronu včetně držáků kamery a antény — opět jejich čísla o jejich dílech, ne naše.
Karbon a hliník
Když se tuhost počítá na desetiny milimetru průhybu, tištěný plast to neuhraje a nastupuje karbonová deska, trubka nebo obrobek. Karbon je velmi tuhý při nízké hmotnosti, ale je citlivý na hranu, otvor a odlupování vrstev — špatně navržený výřez z něj udělá zdroj trhliny. Hliník se hodí tam, kde se šroubuje, dotahuje a přenáší se do dílu teplo. Většina dobře navržených sestav je hybrid: karbon a hliník tam, kde se nese, tisk tam, kde se tvaruje a přizpůsobuje.
Rozhodnutí díl po dílu
Držák kamery nebo senzoru
Typický zakázkový díl a zároveň častá chyba: držák se udělá zbytečně tuhý. Optický systém nechcete jen udržet, chcete ho odstínit od vibrací. Praktické řešení bývá tuhý rámeček (PA-CF nebo PETG podle nároků) plus tlumicí prvek z TPU nebo silentblok mezi rámečkem a konstrukcí. Je-li kamera venku na slunci, jde tělo držáku spíš do ASA. Když řešíte materiál kvůli tomu, že na hotový stroj teprve něco přidáváte, je materiál jen jeden ze vstupů — zbytek popisuje stránka úprava dronu.
Kryt elektroniky
Kryt nenese, ale musí odvést teplo z okolí, nesmí se zbortit a měl by se dát otevřít bez lámání západek. PETG uvnitř trupu, ASA venku a všude, kde je blízko zdroj tepla. Nylon na kryt většinou nedává smysl — platili byste za houževnatost, kterou tam nevyužijete, a řešili nasákavost.
Podvozek a nohy
Podvozek je jediný díl, který dostane pravidelný náraz. Chce houževnatost, ne tuhost: PA, nebo kombinace tuhé nohy s koncovkou z TPU, která ránu z dosedu roztáhne v čase. Křehký materiál tady selže náhle a rád si vezme s sebou i to, k čemu je přišroubovaný.
Ramena a hlavní nosný rám
Tady končí volba materiálu a začíná konstrukční výpočet. Rameno drží tah motoru, přenáší krouticí moment při změně otáček a rezonuje. Standardem jsou karbonové trubky a desky, případně obrobek; tištěné rameno je věc prototypu nebo velmi lehkého stroje s doloženým návrhem a testem. Nosné, rotující a letově kritické díly — vrtule, vysoce zatížená ramena, části řízení — bez výpočtu a doloženého testu nevyrábíme. Není to opatrnost do zásoby: u těchhle dílů nemá selhání mírnou variantu.
Tlumení, průchodky, ochranné prvky
Doména TPU. Silentbloky pod řídicí jednotkou, průchodky kabelů přes hranu karbonu, nárazníky, krytky. Levné díly, které často rozhodnou o tom, jestli je záznam z kamery použitelný a jestli se kabel neprodře na první hraně.
Technologie rozhoduje stejně jako materiál
Stejný nylon se chová jinak z FDM tiskárny a jinak z práškové technologie. Orientačně:
- FDM — dostupné prakticky všude a s velkým výběrem materiálů, ale díl je anizotropní: v ose Z je výrazně slabší než v rovině vrstev. Musí se s tím počítat už při návrhu i při orientaci na podložce.
- SLS a MJF (práškový nylon, PA12) — spojité stěny, složité vnitřní geometrie a odlehčení, které se z FDM neudělá. ADMASYS uvádí u SLS z Nylonu 12 kombinaci houževnatosti a nízké hmotnosti a při návrhu dílů tloušťky stěn typicky 2–3 mm s vnitřními žebry — jejich doporučení pro jejich technologii.
- SLA — přesné a rozměrově stabilní díly, kde jde o tvar a detail; pryskyřice se ale vybírá velmi opatrně, protože UV a teplo jsou její slabina.
Že se dá odlehčením ušetřit hodně, ukazuje veřejný příklad: 3Dees Industries v článku o technologii MJF popisuje u zákazníka Blueflite snížení hmotnosti vybraných komponent až o 25 % a nárůst počtu topologicky optimalizovaných dílů z asi 30 na více než 60 na letoun. Jsou to čísla 3Dees o cizím projektu, ne přenositelný slib — uvádíme je jako řádový příklad, co se s návrhem dá dělat.
Jak se stejné materiály chovají u dílů, které nelétají, ale stojí venku nebo u vody, popisuje sesterský web v článku který materiál vydrží venku.
Čtyři věci, které v materiálovém listu nenajdete
- Orientaci vrstev. Tentýž díl ze stejného materiálu vydrží podle orientace výrazně jinak. Datasheet mluví o zkušebním tělísku, ne o vaší geometrii.
- Vlhkost. Nylon nasáklý ze vzduchu tiskne hůř, má jiné rozměry a jiné chování než vysušený.
- Geometrii. Rádius v koutě, žebro navíc a rozumně vedený otvor udělají pro životnost dílu často víc než skok o dvě „třídy” materiálu výš.
- Stárnutí. Únava, UV, teplotní cykly a chemie z čištění se v tabulce vlastností neobjeví.
Proto u nás materiál nikdy nevybírá jméno v katalogu. Jak konkrétní díl vzniká od fotky, výkresu nebo rozbitého originálu, popisuje stránka zakázkové díly.
Co nám napsat, abychom materiál doporučili my
Aby doporučení mělo cenu, potřebujeme vědět, kde díl žije: prostředí (venku/uvnitř, slunce, déšť, mráz), teplotu okolí dílu v sestavě, druh zatížení (drží se, nese, tlumí, ohýbá se), požadované tolerance, počet kusů a termín. Fotka sestavy nebo rozbitého kusu ušetří polovinu dotazů.
Napište nám, co má díl vydržet a kde bude, a doporučíme materiál i technologii k danému použití — pošlete popis do poptávky. Cena podle zadání, nabídka zdarma; když z popisu vyjde, že díl patří do karbonu nebo do obrobku a ne do tiskárny, řekneme to rovnou.
Zdroje
- Fillamentum — případová studie 3D tisku součástek dronu (výrobce FPV dronů Rotorama; Flexfill TPU Shore 92A a 98A, ABS Extrafill jako prototypový materiál): https://fillamentum.cz/vzdelavani/pripadove-studie/3d-tisk-soucastek-dronu-za-pomoci-flexfill-tpu-a-abs-extrafill/
- ADMASYS CZ — 3D tisk dílů dronů technologiemi SLA a SLS, Nylon 12, doporučené tloušťky stěn: https://admasys.cz/jak-na-3d-tisk-dronu-sla-sla/
- 3Dees Industries — MJF a PA12 v konstrukci UAV, uváděný příklad zákazníka Blueflite (úspora hmotnosti až 25 %): https://www.3dees.cz/blog/lehci-drony-vyssi-vykon-jak-technologie-mjf-meni-konstrukci-uav
- Prusa Polymers — Prusament ASA, deklarovaná UV stabilita a teplota kolem 93 °C, do které se podle výrobce neprojevují známky deformace: https://prusament.com/cs/materials/prusament-asa/
- Úřad pro civilní letectví — bezpilotní letadla, obecné podmínky provozu: https://www.caa.cz/provoz/bezpilotni-letadla/