Инновации в келях для серфбордов: 3D-печать, Onyx, производительный дизайн

Примечание автора: я работаю в Markforged стажёром-электроинженером. Просматривая тестовые кили для серфбордов в офисе перед поездкой в Австралию, я вдохновился создать 3D-печатные кили на принтере Markforged Mark Two. Этот пост описывает проектирование, печать и тесты на воде.

О килях для серфбордов

До 1930-х серфборды опирались на сильно выпуклые корпуса или примитивный метод торможения ногами в воде для управления направлением. Добавление килей совершило революцию в серфинге, стабилизируя курсовую устойчивость, гася крен и создавая подъёмную силу при поворотах — функции, аналогичные крылу или хвостовому оперению самолёта. Большинство килей имеют профиль аэродинамического профиля, который максимизирует подъёмную силу при минимальном лобовом сопротивлении по сравнению с простой прямоугольной формой.

Поперечное сечение титановой кили для серфборда.

Как видите, форма типичной кили серфборда удивительно похожа на симметричное крыло самолёта.

Несмотря на оптимизацию аэродинамических профилей, многие коммерческие кили всё ещё используют классическую «дельфиновую» форму — красивую, но не идеальную для подъёмной силы. Аэродинамическая теория показывает, что наиболее эффективная форма крыла — эллипс, так как подъёмная сила распределяется эллиптически. Длинное узкое крыло обеспечивает более высокую продольную эффективность — больше подъёмной силы при меньшем сопротивлении. Rutan Voyager, самолёт, окруживший землю без заправки, ilustрирует этот принцип своими ультра-длинными узкими крыльями.

Почему же большинство килей для серфбордов имеют заваленную назад форму? На практике завал уменьшает вероятность запутывания кили в водорослях — нет сверхзвукового потока для оптимизации, в отличие от истребителей или пассажирских лайнеров.

Добавление винглетов

Один из крупнейших источников сопротивления на кили — вихрь, образующийся на нижнем крае. Добавляя небольшие винглеты на нижнюю часть кили, мы можем подавить эти вихри, значительно повышая аэродинамическую эффективность. Современные пассажирские реактивные самолёты с успехом используют похожие винглеты.

Винглеты выполняют двойную функцию: снижение сопротивления и дополнительная продольная стабильность. Когда серфер ставит ноги слишком далеко вперёд, нос доски опускается; винглеты создают нажатие, чтобы противостоять этому. И наоборот, если серфер стоит слишком далеко назад, винглеты генерируют подъёмную силу, помогая сохранить баланс. Хотя правильная расстановка ног остаётся важной, винглеты выступают ценной страховкой.

CAD-рендеринг кастомной кили; верхние блоки служат точками монтажа на доску.

Тестовый набор состоял из трёх килей, напечатанных из чистого Onyx — без волокнистого усиления — для имитации гибкости литых акриловых килей. Несмотря на их тонкость (максимальная толщина 4 мм, задний край в два слоя), печати оказались прочными. Двухслойная толщина винглета хорошо выдержала перевозку и тесты.

Гидродинамические кили для серфборда, напечатанные из Onyx.

Кили были отправлены в Австралию для полевой оценки. Я использовал доску 7 футов 3 дюйма с килями глубиной 120 мм для сравнения.

Стандартные прозрачные пластиковые кили «дельфиновой» формы.

Киль из Onyx по сравнению со стандартной килью «дельфиновой» формы.

Кили для серфинга взаимозаменяемы через систему с шестигранным ключом; пластиковые коробки залиты в стекловолоконную доску. Одна коробка на моей доске треснула, влияя на камеру.

Использование ключа для смены килей; чёрная основа — это коробка кили.

3D-печатные кили идеально подошли по спецификации, демонстрируя высокое разрешение принтера Mark Two. С установленными новыми килями пришло время покорять волны.

Доска с установленными килями Onyx.

Сёрфинг с килями

Кили тестировались примерно в 3-футовых волнах — малых по большинству стандартов. Уже на первой заезде кили обеспечивали чистые повороты и заметно большую продольную стабильность, чем стандартный набор. Хотя я не опытный профи, я нашёл ощущение от новых килей очень удовлетворительным.

После первой сессии кили остались практически целыми, несмотря на некоторые элементы толщиной в 2 слоя. Незначительные следы появились там, где монтажные винты контактировали с закрепляющими штырями кили.

Киль после серфинга, полностью целый.

След от монтажного винта на вершине кили.

Во второй день киль в треснувшей коробке отказала по кручению. Вероятные причины: внезапный крутящий момент при падении и недостаточное затягивание винтов. Приблизительно волна 10 км/ч может оказывать около 3 кг силы на киль, что переводится в значительную нагрузку на монтажные штыри. Отказ килей распространён, но киль, усиленная волокном, могла бы повысить долговечность и позволить настраиваемую жёсткость — ключевой параметр проектирования килей для серфбордов.

В целом, 3D-печатные кили из Onyx показали впечатляющие результаты, демонстрируя как прочность, так и точность.

Примечание редактора: STL-файлы для этих килей доступны для скачивания — попробуйте их! Если вы заинтересованы в сотрудничестве над подобными проектами, напишите нам на social@markforged.com.