Bachelor's Thesis

3D print and topology optimization of a quadrocopter arm

Final Thesis 6.75 MB

Author of thesis: Kryštof Sládek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D.

Reviewer: Ing. Vítězslav Sobol

Abstract:

This thesis addresses the design of an optimised quadcopter arm for the DJI F450 frame, made of AlSi10Mg and manufactured by Powder Bed Fusion (PBF). The aim was to achieve significantly higher stiffness at a mass comparable to the original plastic component. The work combines topology optimization with lattice structure design and presents methodology for designing additively manufactured parts with an optimal mass-to-stiffness ratio. From a comparison of eight unit cell types, Gyroid (TPMS) and Body-Centered Cubic (strut-based) were selected. The arm geometry results from topology optimization using the Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) method and is filled with a graded structure whose thickness is modulated by the stress field via Field-Driven Design. Both variants were manufactured and compared photogrammetrically. The Gyroid variant outperformed BCC by 58 % in specific stiffness and was used in the final design. The simulation-experiment discrepancy is discussed separately and attributed to manufacturing limitations and to the altered mechanical properties of thin-walled PBF structures, consistent with the literature. Nevertheless, the final 53.5 g arm achieves more than 17× higher stiffness than the plastic original. Four such arms then successfully completed a test flight.

Keywords:

topology optimization, lattice structures, powder bed fusion, AlSi10Mg, drone

Date of defence

12.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své bakalářské práce a zodpověděl otázky oponenta. Jakou měrou se na navýšené tuhosti podílí zvolený materiál a jakou optimalizovaná geometrie? Resp. jakou (měrnou) tuhost by měla navržená geometrie, pokud by byla vyrobena z původního materiálu PA66+CF, nebo jemu podobnému, např. technologií Selective Laser Sintering? - zodpovězeno prof.Vrbka - Proč jste volil dražší materiál než je původní? - zodpovězeno Je důležitá tuhost nebo pružnost a únosnost? - zodpovězeno Ing.Kvarda - Je uvažovaná boční tuhost? - zodpovězeno Měla by vliv vlastní frekvence? - zodpovězeno Doc.Galas - Jak jste analyzoval graf na 7 slidu? - zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Vrbka, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Radovan Galas, Ph.D. (místopředseda)
Ing. František Vlašic, Ph.D. (člen)
Ing. Daniel Kvarda, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D.

V předložené bakalářské práci se student věnoval multi-úrovňové topologické optimalizaci využívající strukturovaný materiál a kovovou aditivní výrobu. Vědeckých článků na toto téma stále přibývá, což potvrzuje jeho relevantnost. Navíc ve spojení s reálnou aplikací do bezpilotních leteckých prostředků se tato práce stává velice aktuální a „hot topic“.

Systematický přístup, který student zvolil, kdy šel od výběru základní buňky, přes jejich porovnání pomocí MKP simulací a testů vyrobitelnosti, výrobu a otestování zkušebních dílů až po výrobu prototypu a jeho implementace do reálného stroje je na bakalářskou práci nadstandardní. Přitom všechny kroky byly provedeny velice pečlivě, s dobrou metodologií a jasným výsledkem použitelným do dalšího směřování práce. Navíc to byla vesměs samostatná aktivní práce studenta, s minimálními zásahy vedoucího, což tomu z mého pohledu přidává další plusové body.

Původní cíl práce, který předpokládal, že se ramena vyrobí a nějak laboratorně otestují byl několikanásobně překročen. Navržené prototypy byly instalovány na dron, který s nimi nejen bezpečně vzlétl, ale také přistál, a i při neplánovaném crash testu při jednom z dalších letů zůstala ramena bez viditelného mezního stavu.

Samotný text práce je na bakalářskou práci nadprůměrný, a to nejen stylisticky, ale i obsahově a řazením informací a kapitol. K práci nemám z pohledu vedoucího žádné výhrady a doporučuji ji k obhajobě s hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Vítězslav Sobol

Předložená bakalářská práce velmi obsáhle řeší problematiku náhrady konvenčně vyrobených plastových ramen kvadrokoptéry za ramena vyrobená aditivní technologií z hliníkové slitiny AlSi10Mg. Díky využití aditivní technologie student dokázal topologicky i strukturálně optimalizovat rameno tak, že při srovnatelné hmotnosti dosáhlo násobně vyšší tuhosti.

V přehledu současného stavu poznání jsou detailně řešena témata topologické optimalizace, strukturovaného materiálu i metody homogenizace. Je ovšem rozebrán pouze jeden materiál (AlSi10Mg) bez porovnání s ostatními.

V rámci koncepčního řešení student velmi detailně numericky řeší výběr vhodného strukturovaného materiálu na základě homogenizované zkoušky tříbodovým ohybem. S vybraným zástupcem TPMS struktur (gyroidem) a prutových struktur (BCC strukturou) následně provádí topologickou optimalizaci s navazující optimalizací lokální tloušťky stěny/prutu. Ve fázi konceptu je také řešena vyrobitelnost jednotlivých struktur.

V poslední fázi navrhuje finální variantu optimalizovaného ramene, které podrobí numerické i experimentální zkoušce, a navíc i ostrému letovému testu kvadrokoptéry. Mimo úspěšného dosažení všech cílů bakalářské práce, je tato práce přínosná i v představené metodice návrhu a získaných dílčích výsledcích (srovnání struktur v ohybu).

Drobné výhrady bych měl k stylistické úpravě (neustálé vysvětlování v závorkách, i když už byl pojem v textu dříve objasněn; nejednotné využívání českých a anglických výrazů v průběhu textu, nadměrné využívání formátování textu, duplicitní výsledky v tabulce+grafu). V textu bych také očekával stručné vyjádření se k jiným typům aditivní výroby a potenciálního materiálu.

Předloženou bakalářskou práci doporučuji k obhajobě s celkovým hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Jakou měrou se na navýšené tuhosti podílí zvolený materiál a jakou optimalizovaná geometrie? Resp. jakou (měrnou) tuhost by měla navržená geometrie, pokud by byla vyrobena z původního materiálu PA66+CF, nebo jemu podobnému, např. technologií Selective Laser Sintering?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová