Nel mondo dei droni, una categoria che negli ultimi anni sta crescendo è indubbiamente quella del FPV, ovvero First Person View, vista in prima persona. Dopo aver metabolizzato il volo stabilizzato e le riprese in stile cinematografico attraverso lo schermo di uno smartphone o un tablet, si allarga sempre più il mondo delle riprese fatte con droni non stabilizzati, fatti volare attraverso l’ausilio di un occhiale che trasmette ciò che vede la camera del drone, e di fatto consentendo riprese estremamente dinamiche che si stanno diffondendo anche nel cinema e perfino nelle produzioni live (le adotta Amazon Prime Video Italia per la Champions League attraverso una società di Torino, le usa anche la F1 che in alcuni gran premi del 2022 ha trasmesso brevi spezzoni di riprese in diretta da un drone FPV).
In questo contributo scopriamo la prima componente di un drone FPV, il frame o telaio.
Quando si parla di frame s’intende lo scheletro del drone, ovvero l’involucro che è destinato a proteggere e trasportare l’elettronica del nostro velivolo, dai motori alle camere, dalla scheda FC alla batteria, dalle antenne al GPS, e così via.
Il materiale di cui si compone è di vario tipo:
- droni assemblati o autocostruiti con stampa 3D (utilizzando generalmente PETG, ABS e parti in nylon, oppure di produzione industriale in Tergal e materiali simili) oppure in legno (ma non la balsa, troppo flessibile e destinata per lo più al modellismo dinamico degli aerei);
- droni in materiali plastici derivati, caratteristica dei tinywhoop, dei piccoli droni da interni ma anche di alcuni tipi di droni fino a 3 pollici detti cinewhoop;
- droni in fibra di carbonio, massimamente i droni più grandi di 3 pollici ma spesso e volentieri anche quelli più piccoli con le eliche a vista.
La fibra di carbonio
Non c’è dubbio che il materiale più diffuso sia la fibra di carbonio, di base un polimero ricavato dal petrolio, per vari motivi: è un materiale leggero ma al tempo stesso resistente, rigido quanto basta per favorire stabilità e prestazioni di volo. È tuttavia un materiale elettroconduttivo e che scherma le onde elettromagnetiche, quindi è fondamentale un corretto assemblaggio della componentistica interna e un corretto posizionamento delle antenne (sia radio che video).
Ovviamente come tutti i materiali tendenzialmente un maggior costo si traduce in una migliore qualità produttiva: fogli di carbonio composti da fibre intrecciate invece che a strati sovrapposti garantiscono rigidità e resistenza maggiori. Anche la qualità della resina epossidica (polimero termoindurente con reazione a freddo) utilizzata per incollare i vari strati di fibra è importante. I migliori laminati sono anche isotropi, ovvero con un comportamento uguale in tutte le direzioni.
La fibra di carbonio si accompagna spesso a dei suffissi quali 3K, T700, etc.
Nel caso del 3K (3000 fili di carbonio), si indica il tipo di intreccio: in genere con questi laminati si realizzano telai leggeri, ovviamente monolitici e non flessibili, perché composti da minori stratificazioni di carbonio, rispetto ai 6K, 12K, etc.
La lavorazione del tessuto preferita è la twill, due o più fili passati alternativamente con due o più fili passati in modo regolare, perché conferisce maggiore levigatezza e migliore proprietà meccanica, sebbene sia più complesso da produrre.
Con T700 ci si riferisce a una classificazione commerciale stabilita dall’azienda produttrice giapponese Toray:
- T700: ha una resistenza a rottura intorno ai 5000 MPa, modulo 230 GPa.
- T800: ha una resistenza a rottura intorno ai 5500 MPa, modulo 290 GPa.
- T1000: ha una resistenza a rottura di 7000 MPa, modulo 324 GPa.
MPa è il Mega-Pascal, multiplo dell’unità di misura Pascal per valutare il carico di rottura, la forza da applicare a un pezzo per provocarne rottura. GPa è il Giga-Pascal, multiplo dell’unità di misura Pascal per esprimere il rapporto tra tensione e deformazione in condizioni di carico.
Moduli fino a 280 GPa sono considerati standard (HT), e sono quelli maggiormente utilizzati nei frame FPV, dal momento che si tratta della fibra più conveniente sul mercato.
Attenzione nel caso di acquisto: la Toray classifica le proprie fibre come detto in T300 (la più diffusa per applicazioni aerospaziali), T700 (considerato standard industriale), T800, T1000, ma specifica che l’intreccio a 3K è disponibile solo per i laminati T300, mentre i T700 sono laminati da 6K in su. Quindi se un venditore vuole adottare questo scherma e leggete fibra di carbonio T700 3K, si tratta di un errore.
Ultimo ma non ultimo, lo spessore delle componenti del drone è fondamentale per la resistenza da impatto: maggiore attenzione andrà posta ai bracci del drone, che generalmente costituiscono l’area di primo impatto del mezzo. Località che prevedono il volo tra strutture di cemento dovranno favorire bracci spessi 5-6 mm, se invece l’obiettivo è un volo cinematico bracci meno spessi, sui 3-4 mm, garantiranno minor peso e più longevità di volo, sebbene minore resistenza in caso di impatto.
PETG / ABS
Nel mondo della stampa 3D, esistono due tipologie di plastiche molto usate per la loro facilità e resistenza, per il fatto che possono essere stampati anche con stampanti FDM e resistendo al calore e ai raggi UV, sono fruibili anche per progetti fai-da-te nel mondo dei droni FPV, a differenza per esempio del PLA. Sia al PETG che all’ABS può essere aggiunta una componente di carbonio, che aumenta leggermente la resistenza del filamento, ma spesso il maggior costo non giustifica le maggiori prestazioni.
Il PETG o polietilene tereftalato (PET) modificato con glicole (G) è una plastica amorfa riciclabile al 100% il cui uso, nonostante il costo e le maggiori difficoltà di stampa, è aumentato negli ultimi anni in quanto si tratta di polimero che unisce la semplicità di stampa del PLA alla resistenza dell’ABS.
L’ABS o Acrilonitrile butadiene stirene è una termoplastica da tempo nota nel mondo della stampa 3D per le sue qualità di resistenza agli urti e all’elevata temperatura di esercizio. Si tratta tuttavia di un composto chimico, derivato dal petrolio, la cui stampa produce fumi e pertanto va stampato con macchinari dotati di enclosure e comunque in locali ventilati. L’ambiente come il piatto di stampa devono essere caldi, perché l’ABS è soggetto a fenomeni di ritiro a contatto con l’aria, e se il pezzo ha dimensioni generose è consigliabile l’uso del nastro Kapton/ PET.
In ogni caso la maggioranza delle stampanti, anche quelle economiche e non professionali, sono dotate di profili standard per la stampa di queste plastiche: i produttori dei filamenti forniscono una buona base di partenza con le impostazioni più idonee per quel materiale. Una preliminare stampa di una Temp Tower aiuterà a settare i migliori parametri per la vostra stampante. La presenza online di librerie come thingiverse consente di stampare interi frame anche senza il possesso e l’uso di programmi di computer grafica.
Legno
Se sei un amante dell’autocostruito fai da te, il regno del legno nel mondo del modellismo dinamico la fa sicuramente da padrone. Ma mentre sugli aerei si privilegia spesso e volentieri la balsa, grazie al costo contenuto e alle sue proprietà che coniugano la leggerezza alla resistenza e alla flessibilità, quando si cerca resistenza e rigidità a costo di maggiore pesantezza il legno nobile del modellismo è sicuramente il multistrato di betulla, nello spessore adeguato al nostro progetto di frame (attenzione, se la fibra di carbonio è spessa 4 mm non significa che dovremo comprare fogli di compensato da 4 mm).
Ovviamente anche nel caso del legno si dovrà fare attenzione ad acquistare fogli pensati per il modellismo: solo in questo modo si avrà possibilità di acquistare materiale idoneo, dal momento che come nella fibra, anche nel legno la resina d’incollaggio è fondamentale. I migliori fogli multistrato hanno strati sottilissimi incollati tra loro in modo ortogonale con resine fenoliche resistenti agli agenti atmosferici e che proteggono il legno dall’umidità rendendolo inalterabile.
Naturalmente il legno prevede manualità per essere modellato correttamente, se non si hanno macchine a controllo numerico o a taglio laser che operano su base disegno CAD. Il possesso inoltre di seghetti da traforo, seghe a svolgere o circolari da banco (laddove una taglierina compatta riesce a tagliare fogli fino 0,8 mm), idonee tipologie di cartavetro, attaccatutto tesa, UHU hart e Ponal sono imprescindibili per questo tipo di lavorazioni.