Rechnerische Konstruktion, Bau (3-D-Druck) und Test von Bootspropellern

[Heimfried]

Moin zusammen,

ich spalte hier mal ein Nebenthema ab von meinem Bootsbauthread. Ich würde gern passende Bootspropeller selbst konstruieren. Man kann zwar wunderbare Berechnungen mit Software zur fluiddynamischen Simulation anstellen, aber erst der Praxistest würde zeigen, ob ein solcher Prop am konkreten Boot wirlich gut läuft. Dass man Props, die wenigstens zu Testzwecken eine Weile ernsthaft brauchbar sind, mit 3-D-Druckern aus Kunststoff "selbst" herstellen kann, ist sicher. Ich verfolge seit längerer Zeit entsprechende Beiträge in einem efoil-Forum. Ein Punkt, um den es dort geht, ist der Propellerwirkungsgrad, weil die alle elektrisch angetrieben sind und die Foiler natürlich möglichst lange fliegen wollen, bevor die Batterien leer sind. Aber da enden auch schon die Gemeinsamkeiten: die typischen Propeller dort haben kleine Durchmesser und werden mit hohen Drehzahlen gefahren, gemessen an dem, was ich brauche. Die verwendeten Entwürfe sind meist Kopien von erfolgreichen Prototypen.

Hier will ich jetzt mal schauen, ob sich ein Kooperationspartner findet, der an solch einem Projekt interessiert ist. Ich habe mit der Entwicklung eines Softwaretools begonnen, mit welchem ich STL-Dateien errechnen will, die sich dann drucken lassen und suche jemanden, der den Druck durchführt, weil ich einen passenden 3-D-Drucker weder habe, noch anschaffen will. Dafür würde ich natürlich dem druckenden Partner für sein Boot die von ihm gewünschten Propeller errechnen. Der Drucker müsste in der Lage sein, Objekte mit der Grundfläche 300 x 300 mm zu drucken, besser noch ein bisschen mehr.

Das ganze ist nicht eilig und wird sich sicherlich zwei Jahre hinziehen, bis da was Brauchbares rauskommt. Dann würde man die erfolgreichen Prototypen z.B. in Alu CNC-Fräsen lassen.

Unabhängig von einer Projektbeteiligung würde ich mich freuen, wenn sich jemand fände, der mir aus der Praxis etwas über brauchbare STL-Dateien sagen kann und will. Den formalen Aufbau kenne ich zwar, finde aber keine Angaben dazu, ob die Reihenfolge der Facets beliebig ist, wie groß die Dateien in praktischer Hinsicht sein sollten usw.

[Mio69]

Moin Günter,

klingt gut, wäre was für den Filius, aber beim Druck sind wir da spätestens raus, weil unser Drucker nur bis 20 x 20 schafft, das wäre dann doch 'n büschen zu lütt.

Lieben Gruß

Mio

[Heimfried]

Durchmesser 20 cm wäre ja vermutlich auch für dein Boot viel zu klein, oder?

[René]

3D-Drucker in der Größe hätte ich. Allerdings kann ich zum Thema Aufbau einer STL nichts sagen. Ich konstruiere meine Sachen meist mit Fusion360 (ist für Privatanwender derzeit kostenlos) und lade von dort die STL direkt in den Slicer (das Programm, das aus den Körpern die Schichten für den Drucker kreiert).

Das einzige Material mit dem ich Erfahrung habe ist PLA. Für Versuche dürfte das ausreichend sein. Selber benötige ich allerdings keinen Propeller. Das Kilo PLA in Roh als Filament kostet so um die 20,- Euro.

Gruß René

[Heimfried]

Zitat von René

[...] Allerdings kann ich zum Thema Aufbau einer STL nichts sagen. [...]

Macht nix, aber könntest du mir vielleicht irgendeine STL-Datei mailen, deren druckermäßige Verarbeitung bei dir funktioniert hat, damit ich mir die "von innen" ansehen kann? Eigentlich egal, was die beinhaltet, ein relativ einfaches Objekt wäre wahrscheinlich am ehesten verständlich; dazu noch ein Bild des Objektes, damit ich eine Vorstellung davon bekomme?
Gibst du die reale Größe des Objektes bereits in Fusion ein, oder kann der Slicer das skalieren?

[Heimfried]

Zitat von René

[...]
Das einzige Material mit dem ich Erfahrung habe ist PLA. Für Versuche dürfte das ausreichend sein. Selber benötige ich allerdings keinen Propeller. Das Kilo PLA in Roh als Filament kostet so um die 20,- Euro.

Kostenersatz wäre keine Frage, klar. Und über die Möglichkeit, einen Prop, wenn ich ihn denn als Datei fertig habe, drucken zu lassen, wäre ich auch sehr froh, danke für deine Bereitschaft. Aber die Kooperationsfrage zielt auf deswegen auf ein eigenes Interesse des Druckenden, weil sonst vermutlich nach wenigen Versuchen/Druckgängen die Luft raus wäre und ich dann in die Rolle des lästigen Bittstellers käme. Denn, ganz abgesehen von Material und Energie, kostet das ja auch Zeit.

[René]

Klaro schicke ich dir eine Datei. Was für eine Form hast du dir denn so vorgestellt?

Zeit kostet das nicht so viel. Die STL ist recht schnell in den Slicer geladen und die Parameter sind auch schnell eingestellt. Der Drucker läuft ja alleine vor sich hin. Bei der vollen Bauraumgröße mit viel Infill halt ein paar Tage

Muss man halt mal testen. Und Bittstellen...

Müssen die Drucke Belastungstest aushalten? Könnte bei Kunststoff gegenüber Alu schon schwierig werden.

Gruß René

[René]

Sodele, hab dann mal einen Propeller bei Thingiverse runter geladen, den dann auf 30 cm skaliert und gesliced. Bei der Druckzeit lügt das Programm noch ein wenig. Da kann man locker noch 20% drauf schlagen.

Ist halt nur ein Beispiel. Kannst ja mal rein schauen. In der .ZIP sind die STL drin.

Gruß René

[dampfspieler]

Moin Heimfried,

ob Deine STL-Datei "was" taugt, kannst Du ganz schnell mittels Meshlab prüfen. Das mache ich mit allen meinen Dateien, die ich zum Druckdienstleister geben möchte und wenn das Ergebnis fehlerfrei ist, löse ich den Aufrtrag aus.

Frag einfach mal bei Thies-Propeller, ob die Dir einen langsamlaufenden Prop machen. Wenn Du das getan hast, fragen die Dir immer noch ein Loch oder viele Löcher in den Bauch, von denen Du nicht mal ansatzweise eine Vorstellung hattest, dass es sie gibt. Und wenn Du den Aufrag ausgelöst hast, aber erst dann, gibt es noch eine Menge Unterlagen dazu, die es Dir ermöglichen, das Produkt mit maximaler Effizienz an Deinem Boot einzusetzen.

Ernsthafte Propellerhersteller arbeiten übrigens sehr gerne für Leute, bei denen es nicht auf den letzten Cent ankommt, sie legen sich dann richtig ins Zeug. Das weiß ich aus eigener Erfahrung, weil ich .... siehe oben.

Viele Grüße
Dietrich

[Heimfried]

Ich dachte an irgendetwas, was du schon gedruckt hast. Aber wenn du etwas neu machen möchtest: vielleicht ein stehender Zylinder mit einer zentrischen Bohrung, also quasi eine Propellernabe. Dann könnte ich die Dichte der Vertices abschätzen (es gibt ja keine wirklichen Rundungen in STL-Dateien, sondern nur Vielecke verschiedenen Feinheitsgrades).

Edit: Du hast mich bereits überholt, wie ich gerade sehe.

[René]

Also das mit den Ecken und Kanten hat was mit der Verfeinerung zu tun. Das kann man z.B. im Konstruktionsprogramm eingeben, wie fein man das haben möchte.

Hab dir mal nen Zylinder gemacht. 100 Durchmesser, 100 hoch und 35 Bohrung in mm.

In der ZIP sind die beiden STL als grob und fein.

Gruß René

[Heimfried]

Hallo René,
leider sind die erzeugten STL-Dateien im Binärformat, dessen Existenz ich zwar kenne, die ich aber (bisher) nicht lesen kann und nicht schreiben kann. Ich kenne nur die im Textformat, die werden so auch von Freeship exportiert und kommen so von den "Wageningern".

Mal sehen, was ich dazu in Erfahrung bringe, vielleicht kann ich das übersetzen.

[Heimfried]

Moin Dietrich,
danke für die Tips. "Richtige" Propeller kommen erst in Frage, wenn ich überzeugt bin davon, den optimalen Entwurf zu haben. Dass die Fachleute in "deiner" Firma wirklich gut sind, bezweifle ich nicht, auch nicht, dass sie wesentlich mehr von Propellern verstehen, als ich.

Der Versuch, MeshLab zu installieren, war weder erfreulich, noch erfolgreich. Der (erste) Download ging zwar sehr schnell, aber die .exe war, wie das heute oft der Fall ist, nicht das Programm, sondern startete den weiteren Download mit Installation, der nicht enden wollte, nebenbei versucht hat, mir auch noch ein Microsoft-Produkt (C++) aufzudrücken und mir dann den Rechner für eine halbe Stunde blockiert hat, weil sich das Ganze nicht beenden lassen wollte. Vielleicht versuche ich es irgendwann nochmal.

[René]

Oh, ok, ich kanns auch in Ascii speichern. Momentchen.

[René]

Hier in Ascii.

Gruß René

[Heimfried]

Danke René, das ist lesbar.

solid ASCII
  facet normal 9.961947e-01 0.000000e+00 -8.715574e-02
    outer loop
      vertex   -1.723414e+01 1.000000e+02 3.038843e+00
      vertex   -1.723414e+01 5.000000e+01 3.038843e+00
      vertex   -1.750000e+01 1.000000e+02 2.143132e-15
    endloop
  endfacet
  facet normal 9.961947e-01 7.471450e-18 -8.715574e-02
    outer loop
      vertex   -1.750000e+01 1.000000e+02 2.143132e-15
      vertex   -1.723414e+01 5.000000e+01 3.038843e+00
      vertex   -1.750000e+01 5.000000e+01 -2.143132e-15
    endloop
  endfacet
  facet normal 9.961947e-01 -7.471450e-18 8.715574e-02

[dampfspieler]

Moin Günter,

... wenn ich überzeugt bin davon, den optimalen Entwurf zu haben

genau da sehe ich das Problem. Zum einen arbeitet so ein Propeller nur in einem "Betriebspunkt" wirklich optimal - wie jedes andere Maschinenelement eben auch - und zum anderen ist der Weg, genau den zu finden doch "etwas steinig" und möglicherweise länger, als Du Luft hast.

Ich weiß, das der Propeller an meinem EICHENDAMPFER sehr gut ist, weil ich ihn mit den "üblichen" Modellpropellern (beispielsweise RABOESCH) vergleichen konnte - 30 % weniger Drehzahl, um die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen. Das lag aber daran, dass der Hersteller Propeller für Schlepptankversuche unter anderen für IKL fertigte und über entsprechende Erfahrungen verfügte.

Ein wenig zur Berechnung von langsam laufenden Propellern ist im Buch "Dampf 13" S. 47 f zu finden. Das reicht zur Ermittlung der geometrischen Werte aus. Das Profil der Blätter ist aber eine Wissenschaft für sich und man kann sich da prima verirren.

Ich drück Dir mal die Daumen
Dietrich

[holzwurm]

Such mal nach
fab lab Berlin.
oder open lab

Dann kannst Du nach Einweisung ggfls schnell selbst was drucken.

[RainerAmMain]

Moin Heimfried,
ich bastel zur Zeit an einer ähnliche Projekt, bei mir soll es allerdings ein Propeller für einen "Hydrogenerator" werden.

Hast Du Dir die open source Software "openSCAD" mal angesehen ?
Dieses Konstruktionsprogramm arbeitet nicht mit einem 3D Editor, sonder mittels einer eigenen
Programmiersprache. So kann man z.B ein Zylinder mit "cylinder(höhe,radius) definieren.
Die Sprache ist einfach (python ähnlich) und Ergebniss läßt sich dann auch als ".stl" exportieren.

Evtl. macht Dir das die Arbeit ein wenig leichter.

Ansonsten stelle ich Dir für gelegentlich Drucke (ABS/PLA) auch gerne meinen Drucker zur
Verfügung, allerdings hat der nur 220x220 Druckfläche.

Wünsch Dir auf jeden Fall viel Erfolg.

Rainer

[Heimfried]

Zitat von RainerAmMain

[...]
ich bastel zur Zeit an einer ähnliche Projekt, bei mir soll es allerdings ein Propeller für einen "Hydrogenerator" werden.
[...]

Moin Rainer,
das ist interessant, denn für dein Vorhaben empfiehlt sich ja auch ein Kaplan-Propeller, der in einer "Düse" läuft. Sag doch mal etwas mehr zu deinem Projekt.

[RainerAmMain]

Moin Heimfried,

ich glaube bei den Seglern firmiert das ganze unter dem Begriff
Schleppgenerator.

Alles in allem ist das letzlich nur ein BLDC Motor der als Generator fungiert
und einer nachgeschalteten Elektronik die die generierte Spannung auf
Ladespannungspegel transformiert.

Da ich die Spannung auf elektronischem wege regel fallen die verstellbaren
Elemente eines Kaplanpropellers weg. Den mechanische Aufwandt mit den
verstellbaren Propellerblättern traue ich mir ehrlich gesagt auch nicht zu

Was mir z.Zt.. ein wenig Kopfschmerzen bereitet ist der Propeller, der sollte
eher eine geringe Steigung aufweisen um eine höhere Drehzahl und damit
höhere Spannung zu generieren.

Meine Meßungen am Motor/Generator zeigen dass bei einer Steigung um die 3"
schon gute Ergebnisse, auch bei einer Fahrt von nur 1-3 kn drin sein sollten.

Leider ist alles was man so an Bootspropellern kaufen kann nicht so wirklich
geeignet, da die meisten Propeller eine Steigung von 5" und mehr haben.

Also heißt es selber machen, leider ist es um meine mathematische Kenntnisse
zum Thema Hydrodynamik nicht so gut bestellt (da war ich wohl kurz mal draussen ).
Bei mir hört es bei der Konstruktion einer archimedischen Schraube mit Tragflächen-
profil auf .... und ich bin mir sicher das so etwas nicht der Weisheit letzter Schluß ist.

Ja und viel mehr gibts auch nicht zu erzählen.

...und wer weiß vielleicht brauchst du irgendwann
ganz dringend einen Schleppgenerator.

Grüße
Rainer

[ulf_l]

Hallo

An den örtlichen Unis gibt es auch oft die Fablabs. Die haben dann auch ganz andere 3D Drucker zur Verfügung. Fragen kostet ja erst mal nichts.
Wenn man doch auf einen Drucker mit Filament drucken möchte, dafür gibt es schon Filamente mit Carbon-Anteil . Allerdings muß man dafür Edelstahl Düsen verwenden, weil die Messing Düsen zu schnell verschleißen.

Gruß Ulf

[Heimfried]

Zitat von RainerAmMain

[...]
Da ich die Spannung auf elektronischem wege regel fallen die verstellbaren
Elemente eines Kaplanpropellers weg. Den mechanische Aufwandt mit den
verstellbaren Propellerblättern traue ich mir ehrlich gesagt auch nicht zu
[...]

Damit hast du mir zu einem Aha-Erlebnis verholfen - man lernt nie aus. Ich wusste nicht, dass Kaplan-Propeller verstellbare Blätter haben. Ich habe dieses Fachwort nur mit der (projizierten) Blattform verbunden, die ja an der Propellerspitze die größte Breite hat, während ein Standard-Propeller auf die Breite 0 an der Blattspitze ausläuft.

Edit: so ganz falsch war meine Vorstellung von einem Kaplan-Propeller anscheinend nicht, wenn selbst Propeller-Profis das so verwenden (s. u.).

[Heimfried]

Zitat von RainerAmMain

[...]
Also heißt es selber machen, leider ist es um meine mathematische Kenntnisse zum Thema Hydrodynamik nicht so gut bestellt [...]

Naja, Mathe hilft oft weiter und ich benutze sie gern, aber das ist nur Handwerkszeug - wenn auch wichtiges - beim Austüfteln eines guten Propellers. Ein mathematisches Verfahren, das im Ergebnis einen optimalen Propeller liefert, gibt es nach meiner Meinung nicht. Vor vielleicht zwei Jahren habe ich begonnen, mich immer wieder mal mit Schiffs-Hydrodynamik zu beschäftigen. Ich habe dazu sehr viel gelesen. Aus meiner Sicht ist nur klar, dass bereits kleine Änderungen der Form eines fluidumströmten Körpers zu großen Änderungen in Lift und Drag führen können, weil sich Strömungsablösung, Druckverteilung, Wirbelbildung usw. recht plötzlich verändern können. Letztlich muss man ausprobieren, natürlich ausgehend von vernünftigen Annahmen und Startbedingungen.

Da auch die Fachwörter zur Propellergeometrie leider oft falsch, ungenau oder mit unterschiedlicher Bedeutung verwendet werden, habe ich, um für mich und auch im Austausch eine wirklich einheitliche Bezeichnungsweise zu verwenden, auf das ITTC-Dictionary zurückgegriffen.

https://ittc.info/media/7939/2017-ittc-dictionary.pdf

Denen darf man ja eine gewisse Autorität zubilligen. Soweit ich weiß, sind in dieser Institution die meisten international bedeutenden Forschungsstätten (Unis etc.) mit Schlepptanks organisiert. Und die ITTC hat wohl u.a. die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass die Fachveröffentlicheungen aus den Schleppversuchen international nachvollziehbar und vergleichbar sind. Man braucht also eine einheitliche Begrifflichkeit.

In dem verlinkten Papier werden ab Seite 53 die Kenngrößen der Propeller beschrieben. Dieses begriffliche und geometrische Gerüst verwende ich zur mathematischen Modellbildung beim Berechnen meiner Propeller, dazu teilweise das, was Gerr in seinem Propeller Handbook schreibt, dass zum Beispiel das Blattprofil in Bereich der Blattwurzel ein Airfoilprofil sein sollte aber zur Blattspitze hin besser ogival (Kreis- oder Parabelbogen).

[Heimfried]

Ich bin ja nun doch ein bisschen erleichtert. Die Bezeichnung "Kaplan-Propeller" wird auch von Fachleuten auf Propeller angewendet, deren Blätter sich nicht verstellen lassen.