Fun Friday:3D-geprinte surfplankvinnen

Noot van de schrijver:ik werk bij Markforged als stagiair elektrotechniek, en het zien van enkele testsurfplankvinnen rond het kantoor voorafgaand aan een reis naar Australië maakte me geïnteresseerd in het maken van 3D-geprinte surfplankvinnen met de Markforged Mark Two-printer. Deze blogpost beschrijft het ontwerp en het testen van de aangepaste vinnen. -Lochie Ferrier

Over surfplankvinnen

Surfplanken hadden niet altijd vinnen. Vóór 1930 controleerden surfers hun boards door extreem bolle rompen te gebruiken (denk aan bootrompen) of door hun voeten in het water te slepen . Boards gleed uit tijdens bochten en technisch carven tijdens het surfen was eigenlijk onmogelijk. De uitvinding van vinnen zorgde voor een renaissance in het surfen, waarbij de nieuwe vinnen de gier stabiliseerden, de rol dempten en lift produceerden tijdens bochten. Ze werken op dezelfde manier als een vliegtuigvleugel of staartsectie, en hebben meestal een vleugelprofiel. Dit helpt hen een maximale hoeveelheid lift te produceren met een minimale hoeveelheid weerstand, in vergelijking met alleen een rechthoekige dwarsdoorsnede.

Dwarsdoorsnede van een titanium surfplankvin

Een symmetrische dwarsdoorsnede van een vliegtuigvleugel. Zijn vorm lijkt sterk op die van een surfplankvin.

Hoewel de dwarsdoorsnede van het vleugelprofiel sterk is geoptimaliseerd, heeft de algemene vorm van de meeste vinnen een duidelijke inefficiëntie. Klassieke dolfijnvinnen zijn esthetisch aantrekkelijk, maar over het algemeen onvolmaakt voor het genereren van lift in surfplanken. In feite is de optimale vorm voor elke vleugel een ellips. Dit komt omdat de lift op een vleugel is verdeeld in een elliptisch patroon, dus een lange en magere vleugel heeft een veel betere spanefficiëntiefactor dan een naar achteren geveegde (dolfijn) vin. Een hogere overspanningsefficiëntie betekent meer lift per weerstandseenheid, of een efficiëntere vin. Door lift geïnduceerde weerstand wordt veroorzaakt door stroming die van het hogedrukgebied over het bodemoppervlak naar de lage druk over het bovenoppervlak beweegt. Hoe dichter een vleugel bij een ellips is, hoe optimaal de liftverdeling is en hoe kleiner de vleugel kan zijn voor een bepaalde hoeveelheid lift. Een goed voorbeeld van de toepassing van deze theorie is de Rutan Voyager, een vliegtuig dat beroemd om de aarde is gevaren zonder bij te tanken. Zijn lange, smalle vleugels waren veel efficiënter dan elke andere vorm, waardoor ze cruciale brandstof konden besparen.

De Rutan Voyager, een hyperefficiënt vliegtuig dat lange, smalle vleugels gebruikte voor een hoge lift/weerstandsverhouding.

Hoewel het lijkt alsof de terugslag in de meeste vinnen van surfplanken een kwestie is van aerodynamische techno-mimicry, optimaliseren de naar achteren geplaatste vleugels van straaljagers en vliegtuigen in feite voor supersonische luchtstroom. Surfplankvinnen hebben nooit te maken met supersonische stroming. De enige echte verklaring voor de vorm is meer praktisch dan wetenschappelijk; omdat in kelpige wateren teruggeslagen vinnen minder snel verstrikt raken in kelp.

Aangezien de optimale vorm een ​​ellips is, moeten de voor- en achterranden van een surfplankvin redelijk recht zijn. Dit is een idee dat al eerder goed is getest. Als de vinnen niet in een kelpy-gebied worden gebruikt, zijn deze rechte randen geen probleem.

Winglets toevoegen

Een van de grootste bronnen van weerstand zijn wervels die zich vormen vanaf de onderkant van de vin. Door kleine vleugeltjes aan de onderkant toe te voegen, wordt het wegstromen van vloeistof van de vin voorkomen en worden de schadelijke wervels sterk verkleind. Als deze winglets er bekend uitzien, is dat omdat ze dat zijn. Onlangs hebben veel passagiersvliegtuigen soortgelijke ontwerpen geïmplementeerd om de luchtweerstand radicaal te verhogen.

Een gif dat vleugeltipwervelingen op een groot passagiersvliegtuig illustreert.

Het leuke van het introduceren van winglets op een surfplankvin is dat ze, als ze goed worden gedaan, twee functies kunnen vervullen. Naast het verminderen van de weerstand, kunnen ze ook wat extra stabiliteit in de toonhoogte bieden. Hierdoor kan de rijder zijn voeten in een groter aantal posities op het board plaatsen, zonder de trim te beïnvloeden tot het punt waarop het board uitglijdt of een duikvlucht maakt. Als ze te ver naar voren staan, zal het board een beetje met de neus naar beneden hellen en zullen de winglets neerwaartse kracht produceren om tegen te werken, en als de rijder te ver naar achteren staat, zal er wat extra lift worden geproduceerd. Uiteraard is het voor de rijder nog steeds ideaal om op de juiste plek te gaan staan, omdat het horizontale oppervlak dan voor extra weerstand zorgt. Dat gezegd hebbende, de herstellende kracht die de winglets bieden, is een goed vangnet.

CAD van aangepaste vin, blokken aan de bovenkant zijn voor montage aan boord.

De set van drie testvinnen werd geprint in pure Onyx zonder vezelversterking. Hoewel het verleidelijk was om vezels te gebruiken om de afdrukken sterker te maken, hielp het gebruik van pure Onyx me om de flexibiliteit van gegoten acrylvinnen beter na te bootsen. De afdrukken waren geweldig voor zulke dunne kenmerken, met een maximale dikte van slechts 4 mm en achterranden van slechts twee lagen dik.

Hydrodynamische surfplankvinnen bedrukt in Onyx.

De vinnen werden vervolgens in een doos verpakt en naar Australië gestuurd om te testen. De twee laags dikke delen op de winglets hielden het prima vol tijdens de reis, en ik kon geen vervorming opmerken. Ik gebruikte een 7 voet 3 inch board uitgerust met 120 mm dieptevinnen om de vergelijking te maken.

De standaard opstelling, met doorzichtige plastic vinnen in de vorm van een dolfijn.

Onyx vin vergeleken met standaard dolfijnvormige vin.

Surfvinnen zijn uitwisselbaar met behulp van een inbussleutelsysteem met plastic dozen die in de glasvezelcomposietplaat zijn gegoten. Een van de vinboxen op het board was gebarsten, wat van invloed was op de camber.

Een vinsleutel gebruiken om van vinnen te wisselen. De vinbox is het zwarte lichaam aan de basis van de vin.

De 3D-geprinte surfplankvinnen pasten precies volgens de specificaties, wat de hoogwaardige printresolutie van de Mark Two-onderdelen laat zien. Nu de nieuwe vinnen erop zaten, was het tijd om te surfen!

Board met Onyx vinnen geïnstalleerd.

Surfen met de vinnen

De vinnen zijn alleen getest in een branding van ongeveer 3 voet, wat volgens de meeste normen vrij klein is. Ik begon met surfen op de aangepaste vinnen, en ze werkten vanaf het begin en maakten mooie bochten op golven mogelijk. Het bord voelde ook veel stabieler in toonhoogte dan op de standaardset. Ik ben niet de meest ervaren surfer, dus mijn technische evaluatie is niet bindend; ik heb echter echt genoten van het gevoel van de nieuwe vinnen.

De vinnen overleefden de eerste sessie met bijna geen slijtage, ondanks het feit dat sommige features slechts 2 lagen dik waren! Er waren echter enkele markeringen waar de bevestigingsschroeven in de montagepluggen waren gegraven.

Vin na surf, nog steeds volledig intact.

Markeer vanaf de montageschroef op de bovenkant van de vin.

Op de tweede dag merkte ik dat de vin in de gebarsten vinbox los in de branding hing, en bij nadere inspectie realiseerde ik me dat het in torsie was mislukt. Ik denk dat er twee mogelijke oorzaken waren voor deze mislukking. Een daarvan was dat het bord op de bodem crashte na een wipe-out op de vorige golf, en dat veroorzaakte een koppel dat de leidende plug losrukte. De tweede is dat ik de schroeven niet genoeg had aangedraaid, wat zeker mogelijk was omdat ik voorzichtig was met de gebarsten doos, en het viel er natuurlijk gewoon uit. Hoe dan ook, de golfkrachten draaiden behoorlijk rond de trailing edge plug. In eerste instantie zou een golf van 10 km/u door dynamische druk een kracht van 3 kg op de vin uitoefenen. Dit zou resulteren in een vrij hoge kracht op de wortelblokken. Gebroken vinnen zijn een veelvoorkomend probleem, dus het zou interessant zijn om een ​​met vezels versterkte vin uit te proberen om het verschil in duurzaamheid te zien. De andere interessante eigenschap van een versterkte vin zou zijn dat de stijfheid instelbaar zou zijn, een veelvoorkomende ontwerpparameter bij surfplankvinnen.

Over het algemeen was ik erg blij met de prestaties van de 3D-geprinte surfplankvinnen, ze waren een bewijs van de kracht en resolutie van Onyx-printen.

Noot van de redactie:we hebben ook de .stls van de vinnen bijgevoegd, zodat je ze kunt downloaden en het zelf kunt proberen! Als je geïnteresseerd bent om met ons samen te werken aan projecten zoals deze of andere, stuur ons dan een e-mail op [email protected]!