plafsqarhyazeubebgcazh-CNzh-TWhrcsdanlenettlfifrglkadeelhtiwhihuisidgaitjakolvltmkmsmtnofaptrorusrskslesswsvthtrukurvicyyi

 

Będąc fanem drukarki 3D jednocześnie jestem sceptyczny co do szerszego zastosowania tej technologii w modelarstwie lotniczym RC (poza akcesoriami i pomocniczymi częściami, nie będącymi elementami struktury modelu). Z ciekawości robiłem jakieś średnio udane próby wydruku płatów z PLA, które pokazały, że takie elementy są po prostu ciężkie i mało wytrzymałe w porównaniu z tradycyjnymi metodami i materiałami do budowy płatów i kadłubów. Oczywiście są dostępne gotowe projekty (w tym płatne) modeli „sprytnie” zaprojektowanych pod kątem optymalizacji masy do wytrzymałości. Tym niemniej zwykle towarzyszą temu dodatkowe wymagania, jak idealnie ustawiona drukarka i specjalne tryby drukowania, a i tak w w efekcie daje to trochę cięższą strukturę niż w klasycznych rozwiązaniach. Nadzieję na zmianę daje nowy materiał LW-PLA (Low Weight) – czyli PLA, które powyżej normalnej temperatury dla PLA zaczyna się pienić (zwiększa objętość), dając w efekcie dla tej samej objętości niższą masę. Mam mimo to wątpliwości, czy to technologia na każdą drukarkę, bo wymaga drukowania w wyższych temperaturach, co dla najtańszych modeli drukarek zwykle stanowi problem. Również cena tego materiału jest dużo wyższa niż zwykłego PLA.

Tym niemniej kiedy w ubiegłym roku pojawiły się na Thingiverse ciekawe projekty wiatrakowców użytkownika Turbi (wersja jednosilnikowa, wersja dwusilnikowa) całkowicie wykonanych na drukarce 3D, postanowiłem oczywiście przynajmniej sprawdzić jak autor poradził sobie z łopatami, bo przy wiatrakowcach DIY to najmniej przyjemny element do wykonania.

Łopaty Turbi są płasko-wypukłe (z „ostrą” krawędzią natarcia), drukowane „na płasko”. Ze względu na rozmiary typowego stołu drukarki składają się z dwóch części, sklejonych mniej więcej na środku. Wydruk „na płasko” powoduje, że na płaszczyznach o małym nachyleniu pojawiają się widoczne efekty nakładanych warstw. Trudno powiedzieć w jakim stopniu może to zaburzać aerodynamikę łopat (kilka moich wiatrakowców lata z łopatami płaskimi), ale na pewno nie jest to optymalne rozwiązanie aerodynamiczne. Chociaż oczywiście na filmach publikowanych przez autora, widać, że model z tymi łopatami lata.

Przyglądając się temu projektowi pomyślałem – a co, gdyby spróbować zrobić łopatę o idealnym profilu dla modeli autogyro – a mianowicie SG6042 ?

Jak widać, taki profil w warunkach amatorskich trudno jest odwzorować w balsie (nie wiem czy są jeszcze dostępne, ale kiedyś tego rodzaju łopaty produkowała w USA firma „Aerobalsa”). Jeśli drukować łopatę w pionie, to jak pokazano na drugim zdjęciu, profil odwzorowuje się bardzo ładnie. Ze względu na masę taki wydruk najlepiej robić przy wypełnieniu 0% lub w trybie „vase mode” (tylko po obrysie ściany zewnętrznej modelu 3D). Niestety to daje słabą sztywność w przekroju poprzecznym (białe strzałki), powierzchnia elementu bardzo łatwo się ugina, nawet przy lekkim ściśnięciu palcami. Kolejnym logicznym krokiem była taka obróbka modelu, aby powstał dźwigar – najpierw próbowałem z jednym, potem dodałem drugi (co załatwia całkowicie temat uginania się w tej płaszczyźnie). W praktyce tych prób było oczywiście więcej, bo doszła jeszcze kwestia sztywności podłużnej łopaty – ze względu na ograniczenia drukarki musi być ona sklejona z kilku sekcji (o czym dalej). W efekcie powstał model dwóch uniwersalnych segmentów, pozwalający na wzmocnienie sklejonej łopaty zarówno dźwigarem 10x3 (balsa, lub dwie standardowe listwy sosnowe 3x5), pręty laminatowe fi2, jedno i drugie, albo jakiś wariant pośredni (dźwigar i jeden pręt, 2 pręty i kawałek dźwigara). Modele są przygotowane do wydruku w trybie „vase mode”/”spiralize”, przy czym warstwa spodnia („bottom layer”) musi mieć wysokość 1mm (czyli 4 warstwy x 0,25mm lub 5 warstw x 0,2mm). Tworzy to „pełną” sekcję o grubości 1mm, która pozycjonuje dźwigar 10x3 i ułatwia zachowanie geometrii podczas klejenia łopaty na stole („na leżąco”). Oba segmenty są symetryczne, klejone je w ten sposób, aby łopata zaczynała się i kończyła „sekcją pozycjonującą” (część przylegająca do stołu podczas drukowania). Powyższe ustawienia dotyczą slicera Cura, zakładam, że w innych powinno działać to podobnie.

Tak wyglądają wydrukowane elementy testowe oraz idea ich łączenia z użyciem dźwigara. Istotną informacją jest to, że spodnia część „sekcji pozycjonującej” pokrywa się z zerowym kątem natarcia profilu SG6042, co w przyszłości pozwoli na kontrolowanie ustawienia tego kąta.

Kolejne pytanie w tym projekcie, to jak długie segmenty można wydrukować, żeby ich jak najmniej kleić dla łopaty o długości ok 330-340mm. Teoretycznie zależy to wyłącznie od maksymalnej wysokości do jakiej może drukować nasza drukarka. U mnie to 250mm, więc łopata mogłaby się składać tylko z 2 segmentów. Ale po kolejnych wielu próbach okazało się, że nie wygląda to różowo. Niestety kiedy drukujemy długi wąski element o małej powierzchni przekroju (w pozycji jak na pierwszym zdjęciu), to im jest on wyższy, tym bardziej wiotki i podatny na kołysanie się na górze, szczególnie przy ruchomym stole. Wydaje się, że w tym przypadku może mieć również znaczenie położenie łopaty w stosunku do kierunku i siły chłodzenia (mamy w końcu do czynienia z profilem aerodynamicznym). W każdym razie przy ruchomym stole najlepiej pozycjonować łopatę równolegle do osi Y i uważać na chłodzenie. W moim przypadku wysokość sekcji w akceptowalnej jakości (tak, żeby bez problemu udało się włożyć pręty pozycjonujące) to było ok 110-120mm. Na drugim zdjęciu widać efekty w elemencie o długości 220mm. Przesunięcia warstw są tak duże, że pręty pozycjonujące nie dają się włożyć na wylot. Nie są to problemy mechaniczne drukarki, bo wyższe elementy o większym przekroju drukuje bez tak dramatycznych efektów. Krótsze segmenty, chociaż też nie wszystkie wyszły idealne, mają akceptowalne odchylenia.

Tak wygląda zestaw elementów potrzebnych do zmontowania łopaty (CCW):

  • 2x (A) - segment SG6042
  • 1x (B) – segment SG6042
  • 1x (C) – zakończenie łopaty
  • 1x (D) – mocowanie łopaty
  • 1 x dźwigar 10x3 (balsa)
  • 2x pręt laminatowy fi2 mm (średnica nominalna, zmierzona 1,8mm)

W pierwszym kroku skleiłem segment (A) z (B) oraz dźwigarem balsowym przy pomocy kleju epoksydowego wolno wiążącego. Dźwigar był smarowany klejem tylko na bokach, elementy (A) i (B) wewnątrz również tylko w miejscach, w których basa przylega do PLA (klej nanoszony przez pocieranie wewnątrz sekcji listewką z nałożoną warstwą kleju). Do tego posmarowane delikatnie klejem przylegające obszary sekcji po obrysie profilu, ale w taki sposób, żeby klej nie dostał się do „rurek” – prowadnic na pręt. Pręty posmarowane denaturatem zostały włożone do środka, co umożliwiło zachowanie dobrej geometrii klejonych części. Kilka razy w ciągu ok. 2 godzin na zmianę wyjmowałem pręty przemywając je denaturatem, żeby się nie przykleiły, a po tym czasie (kiedy klej związał wystarczająco mocno) wyjąłem je całkowicie.

W ten sam sposób dokleiłem następnie kolejny segment (A) od strony mocowania łopaty. Również w tym przypadku pręty laminatowe na razie służyły mi jako prowadnice do utrzymania geometrii (podobnie jak wcześniej kilka razy wyjmowałem je i czyściłem denaturatem). Z obu końców łopaty powinny wystawać odcinki balsy pasujące długością do elementów (C) i (D).

Zakończenie łopaty (C) oraz mocowanie (D) zostały wydrukowane „na płasko” (z podporami). Wkleiłem je (również klej epoksydowy) na zakończenie i początek łopaty, pilnując aby balsa skleiła się z PLA na spodzie, oraz aby dało się włożyć do środka łopaty pręty laminatowe. Brakujące (w stosunku do górnej powierzchni łopaty) fragmenty nad dźwigarem balsowym uzupełniłem balsą na końcu oraz kawałkiem laminatu (grubość 0,5mm) w części mocującej. W drugim przypadku chodziło mi o wzmocnienie obszaru przez który przejdzie śruba mocująca.

Teraz już pozostało przewiercić otwór w części mocującej (strzałka), oraz zdecydować co robię z prętami (jeden, czy dwa i czy w ogóle?). Kręcąca się łopata ma sporą energię, w locie nie powinno być problemów, ale czy nie rozpadnie się przy zaczepieniu o ziemię? Trudno powiedzieć, skoro to prototyp (a właściwie eksperyment), to w końcu postanowiłem wkleić obie. Zrobiłem to w ten sposób, że w miejscach na pręty laminatowe klej naniosłem przy pomocy cieńszego (1,5mm) drutu stalowego, po czym wsunąłem oba pręty również cienko pociągnięte klejem, żeby mieć pewność że dobrze się skleją na całej długości. W efekcie po włożeniu prętów w wielu miejscach klej wypłynął na zewnątrz, dodatkowo sklejając ze sobą oddzielone szczeliną fragmenty PLA (nadmiar kleju rozprowadziłem wzdłuż szczelin). Być może sensowniejszym (bo ciut lżejszym) rozwiązaniem byłoby włożenie prętów i delikatne zalanie rowka rzadkim klejem cyjanoakrylowym, ale nie miałem akurat takiego pod ręką.

Tak wyglądają gotowe łopaty (całkowita długość to 375mm a szerokość 45mm). Warto pamiętać o ich wyważeniu. Nie będę się już rozpisywał na ten temat, ale można w tym celu wykorzystać np. miejsca do wypełnienia balsą na zakończeniu łopat, ewentualnie wkleić trochę krótszy pręt laminatowy a pozostawione miejsce uzupełnić metalowym odpowiedniej długości.

Tu widać porównanie łopaty SG6042 z czerwoną łopatą Turbi oraz używaną przez mnie łopatą balsową z profilem Clark-Y. Szara ma zbliżoną długość do łopaty Turbi, ale jest od niej znacznie szersza i grubsza. Z kolei balsowa ma zbliżoną szerokość, ale jest trochę krótsza.

A jak wypada porównanie masy? Tak jak można się było spodziewać, najlżejsza jest balsowa, a najcięższa moja eksperymentalna. Czy 30g dla łopaty tych wymiarów to dużo, czy mało? Wydaje się, że trochę dużo. Z wcześniejszych moich doświadczeń wynika (co nie powinno być zaskoczeniem), że im łopata lżejsza, tym szybciej wchodzi w autorotację. A zachowanie w locie niestety można sprawdzić tylko w locie. Czy można było zaoszczędzić na masie? Zapewne tak, ale nie w znaczący sposób. Jakieś wzmocnienia (typu długi dźwigar) są konieczne, a same elementy PLA przed sklejeniem ważą mniej więcej tyle co czerwona łopata. Więc oszczędzając na kleju czy prętach zyska się zapewne co najwyżej kilka gramów.

Póki co udało się wypróbować łopaty z PLA tylko na „sucho”, wystawiając wirnik na wiatr i obserwując co się dzieje. Wiele wcześniejszych prób, które przeprowadzałem z wiatrakowcami, pozwala mi ocenić, czy model przy umiarkowanym wietrze miałby szansę na wystartowanie z ręki (ew. z małym rozbiegiem). Mając do dyspozycji łopaty Turbi i jego głowicę kołyskową oraz moją głowicę zawiasową i łopaty SG6042 wypróbowałem 4 kombinacje łopaty/głowica. Co ciekawe kombinacje głowica kołyskowa z moimi łopatami oraz głowica zawiasowa z łopatami Turbi nie bardzo chciały działać, natomiast dwa pozostałe warianty były w stanie się rozkręcić same, przy czym moje łopaty z głowicą zawiasową rozkręcały się łatwiej i do większej prędkości, jednocześnie czuć było, że mocno ciągną w górę. To oczywiście nie oznacza jeszcze, że będą dobrze działać w locie. Jeśli uda mi się przeprowadzić takie testy, artykuł zostanie uzupełniony o tę informację.

Plik do pobrania, zawiera segmenty o długości 111mm, a także krótkie sekcje testowe.

 

Publikowane tutaj materiały i zdjęcia stanowią własność ich autorów, nie mogą być kopiowane oraz wykorzystywane bez ich zgody.
Strona niekomercyjna.