Fun Friday:3D-gedruckte Surfbrettflossen

Anmerkung des Autors:Ich arbeite bei Markforged als Praktikant in der Elektrotechnik, und als ich vor einer Reise nach Australien einige Test-Surfboard-Flossen im Büro sah, interessierte ich mich für die Herstellung von 3D-gedruckten Surfboard-Flossen mit dem Markforged Mark Two-Drucker. Dieser Blogbeitrag beschreibt das Design und die Tests der benutzerdefinierten Flossen. -Lochie Ferrier

Über Surfboard-Flossen

Surfbretter hatten nicht immer Flossen. Vor 1930 kontrollierten Surfer ihre Boards, indem sie extrem konvexe Rümpfe verwendeten (denken Sie an Bootsrümpfe) oder indem sie mit den Füßen ins Wasser zogen . Boards rutschten beim Turnen raus und technisches Carven beim Surfen war praktisch unmöglich. Die Erfindung der Flossen brachte eine Renaissance des Surfens mit sich, wobei die neuen Flossen das Gieren stabilisieren, das Rollen dämpfen und beim Turnen Auftrieb erzeugen. Sie funktionieren ähnlich wie ein Flugzeugflügel oder ein Heckteil und haben in der Regel einen Tragflächenquerschnitt. Dies hilft ihnen, einen maximalen Auftrieb mit minimalem Widerstand zu erzeugen, im Vergleich zu einem rechteckigen Querschnitt.

Querschnitt einer Titan Surfboard Finne

Ein symmetrischer Flugzeugflügelquerschnitt. Seine Form ist der einer Surfbrettflosse extrem ähnlich.

Obwohl der Profilquerschnitt stark optimiert ist, weist die Gesamtform der meisten Flossen eine offensichtliche Ineffizienz auf. Klassische Delphinflossen sind ästhetisch ansprechend, aber insgesamt unvollkommen für die Auftriebserzeugung in Surfbrettern. Tatsächlich ist die optimale Form für jeden Flügel eine Ellipse. Dies liegt daran, dass der Auftrieb eines Flügels in einem elliptischen Muster verteilt wird, sodass ein langer und dünner Flügel einen weitaus besseren Spannweitenwirkungsgrad besitzt als eine nach hinten gezogene (Delfin-) Flosse. Eine höhere Spannweiteneffizienz bedeutet mehr Auftrieb pro Einheitswiderstand oder eine effizientere Finne. Der auftriebsinduzierte Widerstand wird durch die Strömung verursacht, die sich vom Hochdruckbereich über die Bodenfläche zum Niederdruckbereich über der Deckfläche bewegt. Je näher ein Flügel an einer Ellipse liegt, desto optimaler ist die Auftriebsverteilung und desto kleiner kann der Flügel für einen gegebenen Auftrieb sein. Ein gutes Beispiel für die Anwendung dieser Theorie ist die Rutan Voyager, ein Flugzeug, das die Welt ohne Auftanken umrundete. Seine langen, schmalen Flügel waren viel effizienter als jede andere Form und ermöglichten es ihnen, kritischen Treibstoff zu sparen.

Die Rutan Voyager, ein hypereffizientes Flugzeug mit langen, schmalen Flügeln für ein hohes Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand.

Obwohl es den Anschein hat, dass die Rückschlagbewegung in den meisten Surfbrettflossen eine Frage der aerodynamischen Techno-Mimikry ist, optimieren die nach hinten geschwungenen Flügel von Kampfjets und Verkehrsflugzeugen tatsächlich den Überschallluftstrom. Surfboard-Flossen sind niemals Überschallströmung ausgesetzt. Die einzige wirkliche Erklärung für die Form ist praktischer als wissenschaftlich; denn in Seetang-Gewässern ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass nach hinten gezogene Flossen von Seetang versenkt werden.

Da die optimale Form eine Ellipse ist, sollten die Vorder- und Hinterkante einer Surfbrettflosse einigermaßen gerade sein. Dies ist eine Idee, die zuvor gut getestet wurde. Wenn die Flossen nicht in einem Seetanggebiet verwendet werden, sind diese geraden Kanten kein Problem.

Winglets hinzufügen

Eine der größten Widerstandsquellen sind Wirbel, die sich am Boden der Flosse bilden. Durch das Anbringen kleiner Winglets am Boden wird ein Abfließen der Flüssigkeit von der Flosse verhindert und die schädlichen Wirbel werden stark geschrumpft. Wenn diese Winglets bekannt vorkommen, liegt es daran, dass sie es sind. In jüngster Zeit haben viele Passagierflugzeuge ähnliche Designs implementiert, um die Luftwiderstandseffizienz radikal zu erhöhen.

Ein Gif, das Flügelspitzenwirbel auf einem großen Passagierflugzeug zeigt.

Das Schöne an der Einführung von Winglets an einer Surfbrettflosse ist, dass sie, wenn sie richtig gemacht werden, zwei Funktionen erfüllen können. Sie reduzieren nicht nur den Luftwiderstand, sondern bieten auch zusätzliche Stabilität in der Steigung. Dies ermöglicht es dem Fahrer, seine Füße in einem größeren Bereich von Positionen auf dem Board zu platzieren, ohne die Trimmung bis zu dem Punkt zu beeinträchtigen, an dem das Board ausrutscht oder abstürzt. Wenn sie zu weit nach vorne stehen, neigt sich das Board leicht nach unten und die Winglets erzeugen Abtrieb, um dem entgegenzuwirken, und wenn der Fahrer zu weit hinten ist, wird etwas mehr Auftrieb erzeugt. Natürlich ist es für den Fahrer immer noch ideal, an der richtigen Stelle aufzustehen, da die horizontale Oberfläche in diesem Fall zusätzlichen Widerstand erzeugt. Abgesehen davon ist die Rückstellkraft, die die Winglets bieten, ein gutes Sicherheitsnetz.

CAD der benutzerdefinierten Finne, Blöcke oben sind für die Montage am Board.

Der Satz von drei Testrippen wurde in reinem Onyx ohne Faserverstärkung gedruckt. Während es verlockend war, Fasern zu verwenden, um die Drucke stärker zu machen, half mir die Verwendung von reinem Onyx, die Flexibilität von gegossenen Acrylflossen besser nachzuahmen. Die Drucke waren für solch dünne Merkmale großartig, mit einer maximalen Dicke von nur 4 mm und einer Hinterkantendicke von nur zwei Schichten.

Hydrodynamische Surfboard-Finnen gedruckt in Onyx.

Die Flossen wurden dann in einer Kiste verpackt und zum Testen nach Australien geschickt. Die zwei Lagen dicken Features an den Winglets hielten während der Fahrt gut und ich konnte keine Verformung feststellen. Ich habe ein 7 Fuß 3 Zoll Board mit 120 mm tiefen Finnen für den Vergleich verwendet.

Das Standard-Setup mit durchsichtigen Flossen in Delphinform aus Kunststoff.

Onyxflosse im Vergleich zur Standardflosse in Delfinform.

Surffinnen sind mit einem Sechskantschlüsselsystem mit Kunststoffboxen austauschbar, die in die Glasfaser-Verbundplatte eingegossen sind. Eine der Finnenboxen auf dem Board hatte einen Riss, was die Vorspannung beeinträchtigte.

Verwenden eines Flossenschlüssels zum Wechseln der Flossen. Die Flossenbox ist der schwarze Körper an der Basis der Flosse.

Die 3D-gedruckten Surfboard-Finnen passen genau nach Spezifikation und zeigen die hochwertige Druckauflösung der Mark Two-Teile. Jetzt, wo die neuen Flossen an waren, war es Zeit zum Surfen!

Board mit installierten Onyx-Finnen.

Surfen mit den Flossen

Die Flossen wurden nur in etwa 3 Fuß Brandung getestet, was für die meisten Standards ziemlich klein ist. Ich habe mit dem Surfen der Custom Finnen angefangen, und sie haben von Anfang an funktioniert und schöne Turns auf Wellen ermöglicht. Das Board fühlte sich auch in der Tonhöhe viel stabiler an als auf dem Standard-Set. Ich bin nicht der erfahrenste Surfer, daher ist meine technische Bewertung nicht bindend; das Gefühl der neuen Flossen hat mir jedoch sehr gut gefallen.

Die Finnen haben die erste Session fast ohne Verschleiß überstanden, obwohl einige Features nur 2 Lagen dick waren! Es gab jedoch einige Markierungen, wo sich die Befestigungsschrauben in die Befestigungsdübel bohrten.

Finne nach dem Surfen, immer noch vollständig intakt.

Markierung von der Befestigungsschraube auf der Oberseite der Finne.

Am zweiten Tag bemerkte ich, dass die Flosse im gerissenen Flossenkasten lose in der Brandung hing und bei genauerem Hinsehen stellte ich fest, dass sie an Torsion versagt hatte. Ich denke, es gab zwei mögliche Ursachen für dieses Versagen. Einer war, dass das Board nach einem Wipeout auf der vorherigen Welle in den Boden krachte und das verursachte ein Drehmoment, das den vorderen Stecker herausriss. Der zweite ist, dass ich die Schrauben nicht fest genug angezogen hatte, was durchaus möglich war, weil ich mit der gesprungenen Box vorsichtig war und sie einfach herausfiel. In jedem Fall verdrehten sich die Wellenkräfte ziemlich stark um den Hinterkantenstopfen. In erster Linie würde eine 10 km/h-Welle aufgrund des Staudrucks eine Kraft von 3 kg auf die Flosse ausüben. Dies würde zu einer ziemlich hohen Kraft auf die Wurzelblöcke führen. Gebrochene Flossen sind ein häufiges Problem, daher wäre es interessant, eine faserverstärkte Flosse auszuprobieren, um den Unterschied in der Haltbarkeit zu sehen. Die andere interessante Eigenschaft einer verstärkten Finne wäre, dass die Steifigkeit einstellbar wäre, ein üblicher Designparameter bei Surfboard-Finnen.

Insgesamt war ich mit der Leistung der 3D-gedruckten Surfboard-Finnen sehr zufrieden, sie waren ein Beweis für die Stärke und Auflösung des Onyx-Drucks.

Anmerkung der Redaktion:Wir haben auch die .stls der Flossen angehängt, damit Sie sie herunterladen und selbst ausprobieren können! Wenn Sie daran interessiert sind, mit uns an Projekten wie diesem oder anderen zusammenzuarbeiten, senden Sie uns eine E-Mail an [email protected]!