有趣的星期五：3D 打印冲浪板鳍

作者注：我在 Markforged 担任电气工程实习生，在去澳大利亚之前看到办公室周围的一些测试冲浪板鳍让我对使用 Markforged Mark Two 打印机制作 3D 打印冲浪板鳍产生了兴趣。这篇博文详细介绍了定制鳍的设计和测试。 -Lochie Ferrier

关于冲浪板鳍

冲浪板并不总是有鳍。 1930 年之前，冲浪者通过使用极其凸出的船体（想想船体）或通过在水中拖拽他们的脚来控制他们的冲浪板 .冲浪板在转弯时滑出，冲浪时的技术雕刻基本上是不可能的。脚蹼的发明带来了冲浪运动的复兴，新的脚蹼可稳定偏航、阻尼滚转并在转弯时产生升力。它们的功能类似于飞机机翼或尾部，通常具有翼型横截面。与仅具有矩形横截面相比，这有助于它们以最小的阻力产生最大的升力。

钛冲浪板鳍的横截面

对称的飞机机翼横截面。它的形状与冲浪板鳍极为相似。

虽然翼型截面高度优化，但大多数翅片的整体形状明显效率低下。经典的海豚鳍在美学上令人愉悦，但总体上不适合冲浪板的升力产生。事实上，任何机翼的最佳形状都是椭圆。这是因为机翼上的升力呈椭圆形分布，因此细长的机翼比后掠式（海豚）鳍具有远优越的跨度效率系数。更高的跨度效率意味着每单位阻力更大的升力，或者更有效的翅片。升力诱导阻力是由流体从底部表面上方的高压区域移动到顶部表面上方的低压区域引起的。机翼离椭圆越近，升力分布越优化，对于给定的升力，机翼可以越小。应用这一理论的一个很好的例子是 Rutan Voyager，这架飞机以不用加油就可以环绕地球而闻名。它长而窄的机翼比任何其他形状都更有效率，可以节省关键燃料。

Rutan Voyager，一种超高效飞机，采用长而窄的机翼实现高升阻比。

尽管大多数冲浪板鳍的后掠似乎是空气动力学技术模拟的问题，但战斗机和客机的后掠翼实际上是针对超音速气流进行了优化。冲浪板鳍永远不会面临超音速流动。对形状的唯一真实解释比科学更实用；因为在海带水域，后掠鳍不太可能被海带淹没。

鉴于最佳形状是椭圆，冲浪板鳍的前缘和后缘应该是相当笔直的。这是一个之前经过充分测试的想法。如果翅片不在海带区使用，那么这些直边就不是问题。

添加小翼

最大的阻力来源之一是从翅片底部形成的涡流。通过在底部添加小翼，防止流体从翅片流出，并大大缩小有害涡流。如果这些小翼看起来很熟悉，那是因为它们很熟悉。最近，许多客机都采用了类似的设计，以从根本上提高阻力效率。

说明大型客机上翼尖涡流的 gif。

在冲浪板鳍上引入小翼的好处在于，如果做得好，它们可以起到两个作用。除了减少阻力之外，它们还可以提供一些额外的俯仰稳定性。这允许骑手将他们的脚放在板上更广泛的位置，而不会影响修剪到板滑出或俯冲的程度。如果他们站得太靠前，板子会略微向下倾斜，小翼会产生下压力来反击，如果骑手靠后太远，则会产生一些额外的升力。显然，骑手在正确的位置站起来仍然是理想的，因为当这种情况发生时，水平表面会产生额外的阻力。话虽如此，小翼提供的恢复力是很好的安全网。

定制鳍的CAD，顶部的块用于安装到板上。

一组三个测试翅片是用纯玛瑙印刷的，没有纤维增强。虽然利用纤维使印刷品更坚固很诱人，但使用纯玛瑙帮助我更好地模仿铸造丙烯酸翅片的柔韧性。印刷品非常适合如此薄的特征，最大厚度仅为 4 毫米，后缘只有两层厚。

用玛瑙印制的水动力冲浪板鳍。

然后将鳍装在一个盒子里，送到澳大利亚进行测试。小翼上的两层厚特征在旅途中保持良好，我没有注意到任何变形。我使用了一块 7 英尺 3 英寸的板，配备了 120 毫米深度的散热片来进行比较。

标准设置，带有透明塑料海豚形鳍。

玛瑙鳍与标准海豚形鳍相比。

冲浪鳍可使用六角键系统互换，塑料盒模制到玻璃纤维复合板中。板上的一个翅片盒出现裂纹，影响了外倾角。

使用鳍键更换鳍。鳍箱是鳍基部的黑体。

3D 打印的冲浪板鳍根据规格紧密贴合，展示了 Mark Two 部件的高质量打印分辨率。现在新的脚蹼已经安装好了，是时候冲浪了！

安装了玛瑙鳍的板。

用鳍冲浪

鳍只在大约 3 英尺的冲浪中进行了测试，按照大多数标准，这是很小的。我开始冲浪定制鳍，他们从一开始就开始工作，使波浪能很好地转弯。与标准组相比，该板的音高也更加稳定。我不是最有经验的冲浪者，所以我的技术评估没有约束力；然而，我真的很喜欢新鳍的感觉。

尽管有些特征只有 2 层厚，但鳍在第一次训练中几乎没有磨损！但是，在安装螺钉插入安装插头的位置有一些痕迹。

冲浪后的鳍，仍然完好无损。

从翅片顶部的安装螺丝上做标记。

第二天，我注意到裂开的鳍箱中的鳍松散地悬挂在海浪中，仔细检查后发现它没有扭转。我认为这次失败有两个可能的原因。一个是电路板在前一波被摧毁后撞到底部，这引起了扭动领先插头的扭矩。第二个是我没有把螺丝拧得足够紧，这绝对有可能，因为我小心翼翼地处理破裂的盒子，它自然而然地掉了下来。无论哪种方式，波浪力都在后缘塞周围扭曲了很多。首先，由于动态压力，10 公里/小时的波浪会在鳍上施加 3 公斤的力。这会在根块上产生相当大的力。破损的鳍片是一个常见问题，因此尝试使用纤维增强的鳍片以查看耐用性的差异会很有趣。加固鳍的另一个有趣特性是刚度是可调的，这是冲浪板鳍的常见设计参数。

总的来说，我对 3D 打印冲浪板鳍的性能非常满意，它们证明了 Onyx 打印的强度和分辨率。

编者注：我们还附上​​了鳍的 .stls，以便您可以下载它们并亲自尝试！如果您有兴趣与我们合作开展此类或其他项目，请发送电子邮件至 [email protected]！