Как стабилизировать вибрацию в держателе оптоволокна, напечатанном на 3D-принтере для дрона

Вы нажимаете на педаль газа до упора, и изображение начинает дрожать. Картинка дрожит, как расплавленное стекло, ваше оптоволоконное соединение нестабильно, и на мгновение изображение с дрона становится менее четким. Внутреннее устройство дрона в идеальном состоянии, двигатели работают бесшумно, пропеллеры вращаются без трения, а настройка очень стабильна. Но тем не менее, изображение дрожит, как будто камера ненадежно закреплена.

Проблемы с электроникой обнаруживаются редко, и в большинстве случаев они скрыты в самом креплении. Держатель, напечатанный на 3D-принтере, для волоконно-оптические приемопередатчики для дронов Слишком жесткий или слишком тонкий материал не поглощает вибрации, как камертон, а вместо этого улавливает их и передает оптике. Вибрации на определенных скоростях вращения двигателя точно соответствуют собственной частоте колебаний рамы, усиливая движение, а не гася его. Как только причина определена, ремонт становится простым. Замените негибкий PLA на PETG и создайте гироидальную опору для поглощения резонанса. Кроме того, следует использовать TPU 90A плюс слой VHB толщиной 1 мм для блокировки вибраций в шарнирах — это особенно полезно, когда вы уже имеете дело с такими проблемами, как... кабели цепляются за деревья.

Почему PLA ведет себя как камертон

Напечатанный из PLA-пластика материал выглядит безупречно — слои гладкие, края острые, а углы чистые. Но эта безупречность — обманка внутри дрона, которая выявляет его слабость. Этот материал очень твердый и хрупкий. Когда вибрация двигателей передается через раму, PLA действует как зеркало, отражая энергию, и не поглощает ее. Это приводит к непрерывному звону, который передает микровибрации непосредственно в камеру или оптоволоконное соединение. Результаты испытаний двух идентичных креплений одинаковы. Одно из них, изготовленное из PLA, очень сильно вибрирует на определенных скоростях вращения двигателей, практически воспроизводя каждую возникающую вибрацию. С другой стороны, крепление из PETG немного изгибается под нагрузкой и, следовательно, рассеивает энергию гораздо быстрее.

Это свойство PETG многократно снижает вибрации, передаваемые на камеру, обеспечивая тем самым резкость изображения даже при резких изменениях мощности. Кроме того, нагрев усугубляет ситуацию. Вблизи горячего видеопередатчика PLA теряет свою структуру, деформируется и в конечном итоге разрушается. До определенной температуры PETG является более прочным материалом и не меняет своей формы. Для профессионального конструирования использование PLA следует ограничивать только прототипами; его ни в коем случае нельзя использовать в креплениях, готовых к полету.

Как сэндвич из гироидной железы улавливает резонанс

Большинство производителей полагают, что установка более жесткого крепления устранит вибрации; поэтому они выбирают 100% заполнение. В действительности, при использовании полностью цельного держателя, подобного колоколу, вибрации не уменьшаются, а, наоборот, передаются. Конструкция типа «гироидный сэндвич» меняет этот принцип, обеспечивая сбалансированное сочетание структуры и гибкости. В такой конструкции внешний слой из ПЭТГ служит прочным каркасом, удерживающим конструкцию. волоконно-оптический разъем на месте.

Внутренний гироидный сердечник, напечатанный с меньшей плотностью, слегка изгибается и распространяет вибрацию по всей своей геометрии. Когда энергия поступает в крепление, структура разделяет её на более мелкие волны, которые затухают, не достигнув оптики. Принцип тот же, что используется инженерами аэрокосмической отрасли при создании лёгких композитных панелей. Они предотвращают дальнейшее распространение резонанса, улавливая вибрацию во внутренних ячейках. Гироидная структура обеспечивает тот же эффект — более чёткое изображение, меньший вес и меньшую вероятность эффекта «желе» в HD-видео.

Как нарезать и распечатать сэндвич «Гироид»

Успех функционального сэндвича с гироидной структурой полностью зависит от правильной нарезки. Начните с изготовления двух или трех периметров стенок из ПЭТГ — ровно столько, чтобы поддерживать изделие, не переусердствуя с его затвердеванием. Не используйте очень толстые внешние слои, так как они могут снизить гибкость. Отрегулируйте плотность заполнения до значения от 20% до 30%, выбрав либо гироидную, либо сетчатую структуру.

Выбранный диапазон плотности позволяет внутреннему движению, поглощающему вибрации двигателя, эффективно функционировать. Для повышения точности управления разместите целевые зоны демпфирования непосредственно под винтовыми креплениями или рядом с тонкими рычагами. В PrusaSlicer расположите модификатор внизу и примените к этой области гироидное заполнение в 15–20%. В Cura создайте куб-модификатор для той же цели.

При печати на многоматериальном принтере назначьте TPU для демпфирующих зон, а PETG используйте для оболочки. Сплошные участки никогда не следует печатать с полной плотностью, так как они задерживают вибрации и делают гибкий сердечник бесполезным. Сочетание селективной структуры и мягкого армирования обеспечивает сбалансированные характеристики.

Что делает термопластичный полиуретан 90A и как его проверить.

Выбранная твердость ТПУ определяет, будет ли крепление фильтровать вибрации или передавать их. Оптимальный показатель составляет примерно 90 А по шкале Шора — достаточно твердый, чтобы поддерживать соединение волокон, но достаточно мягкий, чтобы поглощать вибрацию. Более мягкий вариант с твердостью 85 А со временем провиснет и потеряет свою идеальную форму. Вариант с твердостью 95 А более твердый и по ощущениям напоминает твердый пластик, из-за чего амортизация не ощущается.

Даже без дюрометра, тест ногтем — хороший способ определить твердость материала. Вот шаги:

• Если на подушечке остается лишь небольшой отпечаток, это означает, что материал слишком твердый.
• Если подушечка полностью прижата ногтем, оставляя след, это значит, что материал слишком мягкий.
• Если подушечка лишь слегка прижата гвоздем, а затем быстро возвращается в исходное положение, это соответствует показателю 90А.

После проверки жесткости, подложите под каждую опорную ножку прокладки или шайбы из ТПУ 90A. Они создадут плотный, но мягкий слой, который изолирует вибрации рамы от камеры, но при этом не приведет к потере оптической юстировки благодаря плотности слоя.

Как лента VHB толщиной 1 мм превращается в виброгаситель

Наиболее удобный путь для выхода вибрации находится прямо в месте соединения карбоновой рамы и крепежного элемента. Жужжание двигателя, являющегося основным источником шума в этом узле, распространяется по всей конструкции через прямой контакт металла и пластика. Однако, когда добавляется слой VHB-ленты толщиной 1 мм, ситуация меняется. Действуя как крошечный механический предохранитель, он прочен на сдвиг, но мягок на сжатие, что позволяет ему выдерживать структурную нагрузку, блокируя при этом распространение вибрации.

Покройте всю основу крепления лентой — это физическая задача, — вместо того, чтобы заклеивать только места крепления болтов. Аккуратно закрутите винт вверх, пока лента слегка не сожмется, надежно удерживая крепление, но оставляя некоторую свободу движений. Если затянуть сильнее, лента сожмется, и демпфирование ослабнет. Цель креплений — находиться в почти идеальном равновесии; не жесткими, но надежными.

Это очень похоже на то, как производители автомобилей используют материалы для приборных панелей: с помощью клейкой ленты VHB различные детали крепятся к основной конструкции, при этом каждый слой клея служит изоляцией от вибрирующих или дребезжащих компонентов, не снижая при этом прочность. Хотя это широко применяется в беспилотниках, те же принципы действуют и при создании качественного видео или стабильной видеосъемки. Тепло, выделяемое без должного контроля, может негативно сказаться на общем состоянии компонентов летательного аппарата: расположенный рядом видеопередатчик может со временем нагревать соединение, и клей ослабеет. При обнаружении признаков ослабления клейкую ленту, возможно, придется заменять раз в год или каждый раз после внезапного воздействия на нее экстремального тепла (во время полета).

Как диагностировать синдром отмены коктейлей за 5 минут

Для диагностики вибрации не требуется никакого специального оборудования, например, лабораторных приборов или датчиков вибрации, поскольку она проявится всего за несколько минут тестирования. Обычно это включает в себя полет с быстрым зависанием и изменением тяги, при этом вы записываете свой полет. При изучении видеозаписи можно заметить размытие или небольшое покачивание в каком-либо месте — это и будет областью вибрации. Затем следует снять пропеллеры и разместить дрон над устойчивой поверхностью.

Запустите двигатели на низкой скорости и прикоснитесь к раме и стекловолокну. Очень слабое высокочастотное жужжание означает, что крепление слишком тонкое или жесткое. Мягкие, постоянные импульсы вокруг отверстий для винтов, как правило, указывают на слабый или неравномерный контакт, что связано с несовпадением компонентов или слишком большим крутящим моментом в соединениях. Закройте глаза для анализа.

Если визуальных искажений нет, вы должны почувствовать тонкие изменения тона и текстуры кончиками пальцев, которые можно сравнить с тем, что вы видели на видеозаписи. Если вибрация начинается при средних оборотах двигателя и ощущается как рывки, перепечатайте деталь из PETG или поэкспериментируйте с заполнением. Если вибрация кажется вялой и медленной, следующим шагом в устранении проблемы может стать добавление демпфирующих слоев или материалов, таких как TPV или VHB. После 5 минут работы у вас появятся рациональные подсказки для настройки, что избавит вас от излишних проб и ошибок.

Четыре практических шага для устранения вибрации

Чаще всего устранение вибрации зависит от поэтапного вмешательства: последовательного повышения надежности качества видеопотока с камеры, что позволяет избежать масштабных и неустранимых проблем.

Шаг 1: Замена материала. Воспроизведите крепление из PETG, но сохраните его геометрию без изменений. Эластичность материала эффективно устраняет резонанс в среднем положении дроссельной заслонки и звон, создаваемый PLA, при этом сохраняя исходную геометрию.

Шаг 2 – Перестройте структуру. Вам понадобится всего две-три стенки, а заполнение гироида должно составлять не менее пятнадцати-двадцати процентов, при этом синергия предназначена, в первую очередь, для соединений основания и рычагов. Если ваш принтер использует двойную экструзию, небольшого количества ТПУ будет достаточно. Это очень полезно для обеспечения демпфирования крепления.

Шаг 3 – Создайте амортизацию. После того, как сцена с напечатанным материалом готова, необходимо добавить шайбы из ТПУ или большие подложки. Никогда не затягивайте болты для больших или маленьких компонентов, чтобы не нарушить целостность конструкции модели, если она слегка нагрета, а затем аккуратно расположена. ТПУ хорошо работает при 90 А.

Шаг 4. Используйте полоску ленты VHB толщиной 1 мм, разместив ее под крылом. Прижмите винтами так, чтобы ослабить синхронизацию между рамой и держателями.

Для этих корректировок повторите тесты на левитацию и касание кончиками пальцев. Сочетание первого и второго шагов исправит проблему, предоставив убедительные доказательства колоссального успеха незначительных изменений в конструкции.

Почему это решение работает и что нужно помнить

Сама по себе вибрация никогда не станет вашим врагом. Важна лишь то, насколько легко она проходит по различным путям, заданным структурой, а не сама вибрация в целом. Более сильное демпфирование в отдельных точках приводит к некоторому рассеиванию и сглаживанию общей картины. В отличие от хрупких материалов, которые сильнее проявляют резонансы по сравнению с PETG, гироидная структура ослабевает и перенаправляет энергию внутрь, где она может затухать, в то время как TPU и VHB вместе зависят друг от друга, предотвращая попадание остаточной энергии в оптику.

Все эти изменения превратят сильную вибрацию в приятный гул. При появлении дрожания проводите быструю проверку на ощупь. Это позволяет выявить новые проблемы до того, как они начнут проявляться на видео. Вам не потребуется сложная настройка ПИД-регулятора или дорогостоящие детали; всё, что вам нужно, — это более интеллектуальное управление моделированием и активностью материала. При правильном выполнении держатель волокна становится не просто креплением, а каналом, через который вибрация преобразуется в тишину.

Справочные источники

1. ПЭТГ против ПЛА: различия и сравнение:Инженерное руководство, сравнивающее PLA и PETG для 3D-печати, с акцентом на превосходные виброгасящие свойства PETG и гибкость для креплений дронов.
2. Комплект из 4 мягких креплений для мотора – изготовлены методом 3D-печати из ТПУ:Ресурс для FPV-дронов о виброгасителях из ТПУ, объясняющий, как мягкие крепления, напечатанные на 3D-принтере, уменьшают дрожание в кадрах и держателях камер.
3. Композитные филаментные материалы для деталей дронов, напечатанных на 3D-принтере:Академическое исследование композитов PETG и TPU для деталей БПЛА, с акцентом на виброизоляцию и структурную стабильность в беспилотных летательных аппаратах.
4. Печать деталей для дронов на 3D-принтере: как начать:Подробное руководство по компонентам дронов, изготовленным с помощью 3D-печати, включая конструкции для гашения вибраций в креплениях и стабилизаторах.
5. Лучшие материалы для 3D-печати деталей дронов:Экспертный обзор материалов PETG и TPU для каркасов и держателей дронов, с акцентом на амортизацию ударов и снижение резонанса.