Pullcopter “Way over-engineered pullcopter v3” lắp ráp snap-fit

Mình nghĩ sẽ vui nếu thiết kế một món đồ chơi pullcopter có kiểu “over-engineered” — tức là thêm vô mấy cải tiến thú vị mà thật ra không bắt buộc cho chức năng, nhưng có thể (hoặc không) giúp hiệu năng tốt hơn. Thiết kế này có dùng lại 3 thiết kế khác của mình:

• Ergonomic handle
• Elliptical-blade NACA airfoil propeller

Các cải tiến “over-engineered” gồm:

• Thiết kế để lắp ráp không cần dụng cụ hay ốc/vít. Cụm tay cầm dạng snap-fit (bấm vào là khớp).
• Tay cầm ergonomic dựa trên số đo nhân trắc học (anthropometric) thực tế của các nhóm dân số, có mô tả và trích dẫn trong bài blog của mình về quá trình làm tay cầm. Tay cầm cũng có thể làm rãnh ngón tay, nhưng mình không khuyến nghị vì như vậy nó chỉ vừa đúng một cỡ tay cụ thể (xem bên dưới).
• Bánh răng cắt răng tùy biến với răng bất đối xứng (kiểu răng cưa mượt dùng biên dạng sinewave bị “xiên”). Ý tưởng là lực tác dụng lên răng bánh răng chỉ theo một chiều, nên bỏ đối xứng sẽ làm giảm pressure angle của cả hai răng đang ăn khớp, đồng thời tăng độ bền răng theo hướng chịu lực. Tuy vậy, đây có thể là một đánh đổi vì răng bất đối xứng có vẻ “cọ” nhiều hơn “lăn”, làm tăng mài mòn. Hai chi tiết dùng kiểu răng này đều nhỏ, in lại cũng dễ.
• Thiết kế cánh quạt được mô tả trong bài blog của mình về cánh quạt cánh elip. Cánh quạt ở đây có nhiều cải tiến so với cánh pull-copter thường:
  • Cánh được xoắn chính xác để giữ pitch không đổi dọc theo chiều dài cánh.
  • Biên dạng cánh chuyển qua 3 dạng NACA airfoil từ gốc ra đầu cánh: NACA 9440, NACA 6412 (thường dùng cho propeller), và NACA 3412.
  • Cánh high aspect ratio để tăng hiệu suất.
  • Cánh elip được xem là hiệu quả; lưỡi cánh propeller có profile elip (dù elip bị cắt cụt ở đầu cánh và bị méo nhiều gần gốc cánh).
  • Cánh có sweep để giảm leading-edge drag. Lý tưởng là sweep về phía trước để giúp “gom” luồng khí thổi thẳng xuống dưới, giảm tản và tăng thrust.
  • Vòng propeller cũng dùng airfoil profile, loại đối xứng NACA 0020, để giảm drag.
• Có 2 đường đi cho dây kéo (pullcord), để kéo bằng tay trái hoặc tay phải.
• Các cogs truyền động của propeller được làm dạng taper (thon) để propeller có thể rời trục ở nhiều mức tốc độ bay lên khác nhau.

Trước khi in các chi tiết

Mình khuyên bạn in file STL hoặc 3MF “clearance_check” trước. Đây là bộ các chi tiết cần lắp khớp với nhau, được cắt ngắn để in nhanh và kiểm tra độ hở. Nếu thấy khe hở quá sít, có thể bạn cần chỉnh trong file pullcopter.scad. Có 4 tham số clearance bắt đầu ở dòng 119.

Nếu tay bạn to bất thường, hoặc bạn quyết định muốn có rãnh ngón tay trên tay cầm, bạn cần set tham số handlength và handwidth theo số đo tay của bạn. Bạn có thể set handle_fingergrooves thành true sau khi đã set số đo tay.

Còn không thì xem phần print settings cho từng chi tiết bên dưới.

Print settings

Tổng quan

• Resolution:
  • nozzle 0.4mm
  • layer 0.15mm cho propeller, 0.20mm cho các phần còn lại
• Perimeters:
  • 2 (tối thiểu) cho tay cầm
  • 3 cho mọi thứ còn lại
• Ensure vertical shell thickness:
  • Tắt cho propeller
  • Không quan trọng với các phần khác
• Detect bridging perimeters: bật (đặc biệt cho tay cầm và propeller)
• Infill: 15% gyroid hoặc cubic
• Supports:
  • Snug, contact distance 0.1mm chỉ cho propeller
  • Các phần khác không cần supports
• Elephant's foot compensation: 0 (có thể dùng 0.1mm cho pullcord)

Các thiết lập này được mô tả chi tiết ở các mục bên dưới.

Drive gear

Nhất định nên in kèm brim vì diện tích bám bàn in nhỏ. Có thể in chung với pullcord cùng vật liệu, vì cả hai đều là chi tiết dạng bánh răng.

Pullcord

Không cần infill. Pullcord chiếm gần hết đường chéo bàn in nên ít chỗ cho brim hoặc skirt. Có thể in chung với drive gear, nhưng drive gear cần brim riêng. Để tránh pullcord bị cong vênh, thêm vài “helper discs” ở mỗi đầu, giao với mặt bên không có răng. Cách này sẽ giữ pullcord dính bàn in. Bạn có thể dùng brim, nhưng thường không cần nếu đã có helper discs. Set elephant foot compensation 0.1 có thể giúp mép răng đứng hơn gần lớp đáy.

Có 2 kích thước pullcord: một vừa bàn in Prusa i3 MK3S, và một vừa bàn in Prusa Mini.

Handle

Phần này có 2 chi tiết: gear case và hand grip. Hình dạng của cả hai phụ thuộc kích thước tay và chúng khớp với nhau bằng cơ chế trượt + snap. Hai chi tiết này in theo hướng úp ngược. Có thể in với 2 perimeters, nhưng 3 sẽ tốt hơn để tăng độ bền cho các rail gài.

Nếu bạn cần in tách riêng, dùng slicer tách các phần thành từng object rồi xóa phần không in.

Có sẵn 2 cỡ tay cầm, phù hợp tay nam trung bình hoặc tay nữ trung bình. Bạn có thể chỉnh handwidth và handlength theo tay mình. handwidth là bề ngang 4 ngón (trừ ngón cái) khi duỗi thẳng và chạm nhau, đo từ gốc ngón trỏ tới gốc ngón út, tại vị trí nếp gấp đầu tiên nơi các ngón gặp lòng bàn tay. handlength là khoảng từ đầu ngón giữa tới nếp gấp đầu tiên nơi lòng bàn tay gặp cổ tay.

Nếu bạn set số đo riêng, bạn cũng có thể set handle_fingergrooves thành true để có rãnh ngón tay — nhưng như vậy tay cầm sẽ chỉ vừa đúng số đo tay bạn nhập. Mình không khuyến nghị nếu đây là đồ chơi nhiều người dùng chung.

Propeller

Phần này có thể hơi khó. Nó cần supports cho các góc thoải hơn 35° so với phương ngang. Dùng loại support “snug”, pattern honeycomb, z-contact distance 0.1mm. In với layer height 0.15mm, 3 perimeters, infill 0%. Thiết lập “ensure vertical shell thickness” nên tắt để nhẹ nhất.

Đặt một cylinder modifier quanh hub với 20% cubic infill để tạo kết cấu nối lỗ truyền động với phần còn lại của propeller.

Sau khi in (Post-printing)

Quan trọng: Trước khi lắp, hãy bôi trơn các phần chuyển động bằng cách chà nến paraffin hoặc sáp màu (crayon) lên đĩa đáy của drive gear và hai điểm tiếp xúc kiểu bearing trên trục. Cũng chà một ít sáp lên mọi bề mặt của pullcord, kể cả đầu răng. Không cần bôi sáp dày đặc lên răng.

Lắp drive gear vào phần nắp tay cầm (handle top). Trượt nắp lên phần tay cầm cho tới khi nó snap vào.

Luồn pullcord vào rãnh, rồi kéo qua kéo lại để mài mượt các chỗ sần. Có 2 rãnh, cho người thuận tay trái và tay phải.

Khi pullcord đã luồn hết cỡ, đặt propeller lên trên trục truyền động.

Kéo pullcord ra một cách mượt và nhìn propeller bay vút lên!

Mình đã thiết kế cái này như thế nào

Đây là một trong những thiết kế tham vọng nhất của mình, vì nó kéo theo 3 dự án tách riêng khác (gear cutting, tay cầm ergonomic và propeller) mà mình phải làm xong trước khi bắt tay vô pullcopter. Thiết kế tay cầm và propeller đều trải qua 2 lần thay đổi lớn, gần như làm lại từ đầu. Mọi thứ đều làm bằng OpenSCAD. Mình đã in rất nhiều propeller lỗi — có cái lỗi ngay khi in, có cái in xong nhưng bay không đạt vì quá nặng hoặc pitch thấp (và có một lần pitch bị ngược mà mình không nhận ra).

Tối đa thời gian bay (cần test thêm)

Có một “điểm ngọt” (sweet spot) cho khối lượng vòng propeller ring, nhưng với thiết kế này thì chưa biết chính xác. Vòng nặng thì quán tính lớn, giúp propeller quay lâu hơn; nhưng nếu nặng quá thì propeller không tự nâng lên cao được. Vòng nhẹ thì propeller phải nâng ít khối lượng hơn, nhưng quán tính thấp làm nó chậm lại nhanh hơn. Ở giữa hai trường hợp đó sẽ có một khối lượng tối ưu để tối đa thời gian bay. Điều tương tự cũng đúng với khối lượng của lưỡi cánh. Sau khi in nhiều propeller, có vẻ trọng lượng là yếu tố chi phối mạnh nhất: propeller càng nhẹ thì bay được càng lâu. Cánh rộng không giúp gì; rộng thêm chỉ làm tăng cân. Thực tế, cánh high-aspect-ratio (dài và hẹp) có vẻ hiệu quả nhất. Tuy nhiên, cánh hẹp thì lại kém chắc hơn.

Tương tự, pitch của propeller cũng có một mức tối ưu. Pitch cao cho thrust lớn hơn nhưng cũng tăng drag và giảm thời gian bay. Với máy bay dùng fixed-pitch propeller, cánh tối ưu cho leo cao sẽ có pitch thấp hơn, còn cánh tối ưu cho hành trình (cruise) sẽ có pitch cao hơn. Nhưng “cánh leo” thì cruise không nhanh, còn “cánh cruise” thì leo kém. Với pullcopter có trọng lượng propeller nhất định, sẽ có một pitch tối ưu để tối đa độ cao hoặc thời gian bay. Đa số propeller máy bay có pitch nằm trong khoảng (xấp xỉ) 75%–133% chiều dài cánh. Khoảng đó cho ra pullcopter propeller kiểu lơ lửng (hover) nhưng khó tự nâng trọng lượng của chính nó. Propeller trong thiết kế này có pitch bằng 200% chiều dài cánh, và hoạt động tốt hơn nhiều.

Lịch sử phiên bản

• Version 1 (1 April 2022)
• Version 2 (28 April 2022):
  • Cập nhật để sửa khoảng hở giữa build plate và drive gear trong model clearance-check, và thêm phép union() để drive gear thành một khối.
• Version 3 (9 May 2022):
  • Tăng dày các rail gài của tay cầm thêm 2 mm để tránh gãy. Việc này làm cho phần nắp tay cầm không còn tương thích với tay cầm cũ. Nếu rail gài bị gãy ở nắp tay cầm phiên bản cũ, bạn thử in bản remix này của kdcool nếu bạn không muốn phải in lại cả bộ tay cầm mới.
  • Tích hợp rãnh ngón tay vào tay cầm (không khuyến nghị).

Category: Mechanical Toys