Vendredi amusant :palmes de planche de surf imprimées en 3D

Note de l'écrivain :je travaille chez Markforged en tant que stagiaire en génie électrique, et voir des ailerons de planche de surf d'essai dans le bureau avant un voyage en Australie m'a intéressé à fabriquer des ailerons de planche de surf imprimés en 3D avec l'imprimante Markforged Mark Two. Cet article de blog détaille la conception et les tests des ailerons personnalisés. -Lochie Ferrier

À propos des ailerons de planche de surf

Les planches de surf n'ont pas toujours eu d'ailerons. Avant 1930, les surfeurs contrôlaient leurs planches en utilisant des coques extrêmement convexes (pensez aux coques de bateaux) ou en glissant les pieds dans l'eau . Les planches glissaient pendant les virages et le carving technique en surf était pratiquement impossible. L'invention des ailerons a entraîné une renaissance du surf, avec les nouvelles ailerons stabilisant le lacet, amortissant le roulis et produisant de la portance pendant les virages. Ils fonctionnent de la même manière qu'une section d'aile ou de queue d'avion et ont généralement une section transversale de profil aérodynamique. Cela les aide à produire un maximum de portance avec un minimum de traînée, par rapport à une simple section transversale rectangulaire.

Coupe transversale d'un aileron de planche de surf en titane

Une section transversale d'aile d'avion symétrique. Sa forme est extrêmement similaire à celle d'un aileron de planche de surf.

Bien que la section transversale du profil aérodynamique soit hautement optimisée, la forme générale de la plupart des ailerons a une inefficacité évidente. Les palmes de dauphin classiques sont esthétiques mais globalement imparfaites pour la génération de portance dans les planches de surf. En fait, la forme optimale pour n'importe quelle aile est une ellipse. En effet, la portance d'une aile est répartie selon un schéma elliptique, de sorte qu'une aile longue et fine possède un facteur d'efficacité d'envergure bien supérieur à celui d'une aileron en flèche (dauphin). Une efficacité de portée plus élevée signifie plus de portance par unité de traînée ou un aileron plus efficace. La traînée induite par la portance est causée par le déplacement de l'écoulement de la zone de haute pression sur la surface inférieure à la basse pression sur la surface supérieure. Plus une aile est proche d'une ellipse, plus la répartition de la portance est optimale et plus l'aile peut être petite pour une quantité de portance donnée. Un bon exemple de l'application de cette théorie est le Rutan Voyager, un avion qui a fait le tour du monde sans ravitaillement. Ses ailes longues et étroites étaient beaucoup plus efficaces que toute autre forme, leur permettant d'économiser du carburant essentiel.

Le Rutan Voyager, un avion hyper-efficace qui utilisait des ailes longues et étroites pour un rapport portance/ traînée élevé.

Bien qu'il puisse sembler que le balayage dans la plupart des ailerons de planche de surf soit une question de techno-mimétisme aérodynamique, les ailes en flèche des avions de chasse et des avions de ligne optimisent en fait le flux d'air supersonique. Les ailerons de planche de surf ne font jamais face à un flux supersonique. La seule véritable explication de la forme est plus pratique que scientifique; car dans les eaux de varech, les nageoires en arrière sont moins susceptibles de s'embourber par le varech.

Étant donné que la forme optimale est une ellipse, les bords d'attaque et de fuite d'un aileron de planche de surf doivent être raisonnablement droits. C'est une idée qui a déjà été bien testée. Si les ailerons ne sont pas utilisés dans une zone de varech, alors ces bords droits ne sont pas un problème.

Ajout de winglets

L'une des plus grandes sources de traînée est constituée par les tourbillons qui se forment au bas de l'aileron. En ajoutant de petites ailettes sur le fond, l'écoulement de fluide hors de l'ailette est empêché et les tourbillons nocifs sont considérablement réduits. Si ces winglets semblent familiers, c'est parce qu'ils le sont. Plus récemment, de nombreux jets de passagers ont mis en œuvre des conceptions similaires à celle-ci pour augmenter radicalement l'efficacité de la traînée.

Un gif illustrant les tourbillons de bout d'aile sur un gros avion de ligne.

L'avantage d'introduire des winglets sur un aileron de planche de surf est que si cela est fait correctement, ils peuvent remplir deux fonctions. En plus de réduire la traînée, ils peuvent également offrir une stabilité supplémentaire en tangage. Cela permet au cycliste de placer ses pieds dans une plus large gamme de positions sur la planche, sans affecter l'assiette au point où la planche dérape ou plonge. S'ils se tiennent trop en avant, la planche piquera légèrement du nez et les winglets produiront une force d'appui pour contrer, et si le rider est trop en arrière, une portance supplémentaire sera produite. De toute évidence, il est toujours idéal pour le cycliste de se tenir au bon endroit, car la surface horizontale produit une traînée supplémentaire lorsque cela se produit. Cela étant dit, la force de restauration fournie par les winglets est un bon filet de sécurité.

CAD d'un aileron personnalisé, les blocs en haut sont destinés à être montés sur la planche.

L'ensemble de trois ailerons de test a été imprimé en pur Onyx sans renfort de fibre. Alors que l'utilisation de fibres pour rendre les impressions plus fortes était tentante, l'utilisation d'Onyx pur m'a aidé à mieux imiter la flexibilité des ailettes en acrylique coulé. Les impressions sont excellentes pour des caractéristiques aussi fines, avec une épaisseur maximale de seulement 4 mm et des bords de fuite de seulement deux couches d'épaisseur.

Ailerons de surf hydrodynamiques imprimés en Onyx.

Les palmes ont ensuite été emballées dans une boîte et envoyées en Australie pour y être testées. Les caractéristiques de deux couches épaisses sur les winglets ont bien résisté pendant le voyage, et je n'ai pu remarquer aucune déformation. J'ai utilisé une planche de 7 pieds 3 pouces équipée d'ailerons de profondeur de 120 mm pour faire la comparaison.

La configuration standard, avec des ailerons en plastique transparent en forme de dauphin.

Nageoire en onyx par rapport à la nageoire en forme de dauphin standard.

Les ailerons de surf sont interchangeables à l'aide d'un système de clé hexagonale avec des boîtiers en plastique moulés dans la planche composite en fibre de verre. L'un des caissons d'ailerons de la planche était fissuré, ce qui a affecté le cambre.

Utilisation d'une clé d'aileron pour changer d'aileron. La boîte d'aileron est le corps noir à la base de l'aileron.

Les ailerons de planche de surf imprimés en 3D sont parfaitement ajustés selon les spécifications, montrant la résolution d'impression de qualité des pièces Mark Two. Maintenant que les nouveaux ailerons étaient en place, il était temps de surfer !

Planche avec ailerons Onyx installés.

Surf avec les palmes

Les ailerons n'ont été testés que sur un surf d'environ 3 pieds, ce qui est assez petit pour la plupart des normes. J'ai commencé à surfer sur des ailerons personnalisés, et ils ont fonctionné dès le début, permettant de beaux virages sur les vagues. La planche était également beaucoup plus stable en hauteur que sur l'ensemble standard. Je ne suis pas le surfeur le plus expérimenté donc mon évaluation technique n'est pas contraignante; cependant, j'ai vraiment apprécié la sensation des nouveaux ailerons.

Les palmes ont survécu à la première session avec presque aucune usure, malgré le fait que certaines caractéristiques n'avaient que 2 couches d'épaisseur ! Cependant, il y avait des marques là où les vis de fixation s'enfonçaient dans les chevilles de montage.

Aileron après le surf, toujours entièrement intact.

Marque de la vis de montage sur le dessus de l'aileron.

Le deuxième jour, j'ai remarqué que l'aileron dans la boîte d'aileron fissuré pendait dans le ressac, et en y regardant de plus près, j'ai réalisé qu'il avait échoué en torsion. Je pense qu'il y avait deux causes possibles à cet échec. L'une était que la carte s'est écrasée contre le fond après un effacement sur la vague précédente, ce qui a provoqué un couple qui a arraché le bouchon principal. La seconde est que je n'avais pas assez serré les vis, ce qui était tout à fait possible car je faisais attention à la boîte fissurée, et elle est tombée naturellement. Quoi qu'il en soit, les forces d'onde se sont beaucoup tordues autour du bouchon de bord de fuite. Au premier ordre, une vague de 10 km/h exercerait une force de 3 kg sur l'aileron, due à la pression dynamique. Cela entraînerait une force assez élevée sur les blocs racine. Les ailerons cassés sont un problème courant, il serait donc intéressant d'essayer un aileron renforcé de fibres pour voir la différence de durabilité. L'autre propriété intéressante d'un aileron renforcé serait que la rigidité serait réglable, un paramètre de conception courant dans les ailerons de planche de surf.

Dans l'ensemble, j'étais très satisfait des performances des ailerons de planche de surf imprimés en 3D, ils témoignaient de la force et de la résolution de l'impression Onyx.

Remarque des éditeurs :nous avons également joint les fichiers .stls des ailerons afin que vous puissiez les télécharger et essayer par vous-même ! Si vous souhaitez travailler avec nous sur des projets comme celui-ci ou d'autres, envoyez-nous un e-mail à [email protected] !