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(Skydio 在 3D 列印的幫助下引領無人機產業的自主飛行
▲Skydio 的無人機系統系列受到從能源公用事業到災難響應等各個行業的專業人士的信賴。照片由 Skydio 提供。
隨著世界各地的製造商尋求適應和應對人工智能的擴散，一家無人機公司為人工智能驅動的系統設定了標準。Skydio是美國領先的無人機製造商，也是自動飛行領域的世界領導者。他們的無人機系統 (UAS) 系列和新的 Dock 產品為能源設施、交通、公共安全、環境研究等行業開闢了新的機遇。
Skydio 的工程和設計團隊在產品原型開發階段依賴 Formlabs Form 3+ 雷射光固機 (SLA) 列印機，使其盡可能接近最終的批量生產設計。Form 3+ 列印機搭配 Formlabs 提供的廣泛材料來完成從功能測試到工具和固定裝置的所有任務。Skydio 有兩種類型的無人機：Skydio 2+ 和 Skydio X2，這是一款適用於企業和國防的重型無人機。他們還推出了 Skydio Dock，這是一種新型創新產品，可以將無人機部署到遙遠的地點，無需人工干預或監控即可傳輸信息。
資深硬體開發專家 Eric Weinhoffer 向我們介紹了他們的設計到生產工作流程，以及 3D 列印如何幫助硬體團隊跟上 Skydio 先進軟體開發的步伐。
Skydio 的獨特之處
在無人機行業的早期，無人機系統（UAS）有時被稱為無人駕駛飛行器（UAV），需要遠程飛行員掌舵。為了實現可靠的連接，飛行員必須實際靠近無人機，從而限制了其範圍和有效性。在過去幾年中，無人機公司已經開始將一些自主措施集成到他們的系統中，解鎖新的案例並允許無人機收集更多信息。
Skydio 首先透過專注於軟體開發在競爭中處於領先地位——推出完全自主的飛行系統。「從歷史上看，駕駛這些無人機需要大量技能。使用傳統的無人機，你會遇到很多崩潰的情況，或者只是非常糟糕的視頻。我們的無人機不會墜毀——它們不僅能拍攝出完美的照片，還能避開樹木、智能導航並自動追蹤拍攝對象。我們是自主飛行領域的世界領導者。」Weinhoffer 說道。
這種程度的自主性為無人機開闢了充滿新機遇的世界。公共安全機構可以在調查事故或犯罪現場時使用它們以數位方式重建所發生的情況，而無需花費人力來監控無人機或付費僱用服務。公用事業公司、土木工程公司和國家機構依靠 Skydio 無人機完成對其現場的廣泛檢查，並可以透過永久安裝的 Dock 來部署無人機，從而無需額外資源即可建立近乎連續的監控。由於這些應用通常位於難以到達的區域，因此 Skydio 的無人機需要耐用且設計精良。SLA 3D 列印使他們在評估原型要求時能夠盡可能接近最終的射出成型零件。
重量、速度和航程的不斷妥協
▲Weinhoffer 和硬體開發團隊依靠 Form 3+ 列印機和各種 Formlabs 樹脂來幫助他們匹配 Skydio 軟體團隊的高速開發流程。照片由 Skydio 提供。
設計無人機是一種權衡談判的過程。加固型無人機的飛行時間不如輕型無人機。非常輕型的無人機無法擁有自主運行所需的計算能力，但添加自主飛行所需的所有計算能力會增加重量，從而影響飛行時間。這是一系列持續不斷的細微設計變更、增量調整和廣泛的測試。「我們在電腦上進行了大量計算來支持自主飛行。每個決定都是性能權衡，會影響每一個硬體和電子設備。」
為了對組件幾何形狀進行微小更改並測試其如何影響飛行時間或抗衝擊性，硬體團隊依靠夜間列印來支援和通知開發過程。
「透過 3D 列印，速度讓我們能夠考慮以某種方式進行交易。我們可以對兩種略有不同的幾何形狀進行比較並測試這些權衡。」－Eric Weinhoffer，資深硬體開發專家
Skydio 能夠快速完成這些決策和測試協議，使他們能夠按時完成任務並獲得合約。對於美國聯邦政府的一項重大記錄計劃，許多無人機公司進入了公開投標程序。投標者必須遵守嚴格且具有競爭性的時間框架，以展示符合政府規格的產品。Skydio 之所以能夠得標，是因為他們能夠快速開發硬體，這在一定程度上要歸功於他們的 Formlabs 列印機。
「我們無法控制日期，這對我們一起開發硬體和軟體是非常嚴格的。製造生產零件的交貨時間對我們來說是最大的限制。Form 3+ 立即不間斷地運行，然後一切就變得非常簡單，我們需要更改的硬體就在那裡，」Weinhoffer 說道。
▲Skydio 硬體開發團隊將 SLA 機器堆疊起來並易於使用，以便列印機可以連續運行，幫助團隊幾乎不斷地進行原型設計和測試。照片由 Skydio 提供。
最終設計和功能測試
在像聯邦投標這樣的外部測試環境中，擁有可以模擬射出成型或機加工零件的堅固性和耐用性以及強度和硬度的臨時 3D 列印零件至關重要。儘管 Skydio 使用熱熔堆疊建模 (FDM) 零件進行快速成型或配合測試，但他們依靠 Formlabs 機器進行功能測試最終階段原型設計。「SLA 很有幫助，因為它關鍵在於盡可能快地生產零件的速度和能力。擁有接近生產材料特性的零件是令人難以置信的，」Weinhoffer 說。
Skydio 使用高強度 4000 樹脂來平衡耐熱性、抗衝擊性和強度，同時使用高韌性 2000 樹脂來實現與射出成型塑料的相似性。透明樹脂的表面透明度對於在檢查階段使用至關重要，以查看電線如何在電子設備密集的無人機中佈線。對於快速加工應用或對新墊圈和密封設計進行功能測試，團隊將使用彈性樹脂或耐用樹脂。
「Formlabs 零件看起來和摸起來都像實心模製零件。接近零件最終生產狀態的能力非常強大。推斷在裝配和表面處理等不同領域，它們可以讓我們的設計師更好地了解某些東西的性能或感覺我們手中的東西的重量，以便進行跌落測試或飛行原型。他們讓我們有信心進行飛行測試。」-Eric Weinhoffer，資深硬體開發專家
功能測試夾具
強度對於測試夾具和車載組件來說很重要。該團隊將為 Form 3+ 列印機上的無人機組件設計測試夾具，以利用高強度 4000 樹脂的機械強度或高韌性 2000 樹脂的抗衝擊性。
在無人機開發的射頻 (RF) 測試階段，團隊將無人機部件放置在天線測量室中，以消除外部無線電波。他們需要一個堅固的固定裝置來將零件固定在機器人轉盤上，但不能使用金屬，因為它會破壞實驗。Weinhoffer 設計了一個固定裝置，並用高強度 4000 樹脂列印出來，將其固定在腔室上，並保持天線正確對準以進行測試。
▲在 RF（射頻）室中，3D 列印固定裝置將最終使用部件固定到位。金屬夾具既昂貴又會干擾 RF 測試，因此按需 3D 列印零件是不可或缺的，例如用高強度 4000 樹脂列印的零件。照片由 Skydio 提供。
在另一個例子中，團隊需要找到一種在內部製作橡膠隔振器原型的方法，但向供應商請求軟部件的變化既昂貴又耗時。受到 Formlabs白皮書的啟發，硬體開發團隊列印了多個模具母版，用於測試幾種不同設計的隔振能力。
「迄今為止最大的優勢是 Formlabs 樹脂的材料套件和材料特性。」－Eric Weinhoffer，資深硬體開發專家
易於使用提高利用率
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| ▲無人機幫助公共安全機構在災難現場或犯罪現場收集信息，同時使人員免受傷害。 | ▲發電設備通常位於難以到達的區域，但 Skydio 的無人機和 Dock 產品可以幫助公司檢查其關鍵基礎設施，而無需操作員在附近。照片由 Skydio 提供。 |
Skydio 對如此廣泛的行業和客戶的吸引力部分在於其可接近性和易用性——自主飛行足夠先進，可以消除部署中的擔憂或規劃。執法部門可以專注於在犯罪現場收集信息，而不是專注於飛行，建築集團可以為長達數年的項目部署無人機和碼頭，而不必擔心檢查中的漏洞。Weinhoffer 在 3D 列印中也採用了同樣的理念；如果它不是一項易於使用的技術，它就無法在實驗室中證明其價值。「Formlabs 列印機非常易於使用，我們工程團隊的許多成員都可以使用它們。添加更多 Form 3+ 並給我們的工程團隊一兩天的額外時間，讓他們快速行動，這對我們影響巨大，」Weinhoffer 說道。
隨著 Skydio 擴大其產品線並開發更多定制解決方案，3D 列印已不僅僅是一種工具，它使硬體團隊能夠支持其軟體的飛速發展。
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