Innovatie: de anatomie van het Artist 2.0 mondstuk – deel I

Nieuw mondstuk voor onze Artist Series Irish Whistle

Click here For Part I – ENGLISH

Dit is deel I van een serie over het nieuwe model Artist kopstuk willen we graag iets vertellen over onze constante zoektocht naar het verbeteren van onze producten. We zijn begonnen met het printen van kopstukken voor onze Artist Series, omdat de voordelen van 3D printen duidelijk zijn: verschillende materialen, verschillende kleuren en afwerkmethodes maken 3D-printen tot een goede methode om tot een product te komen.

3D printen gebeurt met een filament; een draadje van 2.85 of 1.75 mm dun wordt door een hot-end gevoerd. Deze hot-end smelt het filament bij een temperatuur van 200-250 C. Ondertussen beweegt de printkop en legt laagje voor laagje een bepaald patroon af volgens x-, y- en z- waarden aan de hand van punten in een driedimensionaal assenstelsel zoals we dat allemaal wel kennen uit de wiskunde. De printer leest deze waardes razendsnel af uit een tekstbestand (een g-code) en stuurt de printkop aan.

Nadelen van 3D printen zijn er ook: het duurt lang voordat je een print hebt, en de resolutie gaat maar tot 0.1mm, hoewel er al printers zijn die veel fijner kunnen printen. Omdat het onderwerp 3D printen een artikel op zich nodig zou hebben, gaan we hier niet te diep in op 3D printen, maar eerder op de optimalistie van het ontwerp van de Artist Serie kopstukken.

Deel I – Inleiding | Deel II – Opbouw | Deel III – Simulaties | Deel IV – 3D printen

Een bijdrage van Ruud Roelofsen

Probleem beschrijving

Onze Artist Series kopstukken worden geprint met carbon-houdend filament. Het is een PETG met 20% carbonvezels. Het materiaal PET (Polyethyleen tereftalaat) is bekend van de transparante statiegeld flessen (petflessen) en is volledig recyclebaar. Met PETG filament (PET gemodificeerd met glycol) is een zeer sterk en waterafstotend materiaal. Het filament is vrij ruw, wat betekent dat de objecten die ermee geprint worden ook nabewerking nodig hebben. In onderstaande foto is dit goed te zien; een stukje filament, en een kopstuk dat net uit de printer is gekomen.

Het nabewerken bestaat uit vijlen en schuren met diverse korrelgroottes. Dit heeft als nadeel dat er materiaal verdwijnt. Hiermee wordt rekening gehouden in het model. Vooral bij het blad van het kopstuk moet dit voorzichtig gebeuren, omdat het blad bepaalt hoe, wanneer en met welke afstand tot de windgang de luchtstroom wordt gebroken. Dit heeft weer gevolgen voor hoe het kopstuk aanspreekt, en of je veel lucht hoort in de toon. Het uiteinde van het blad heeft een bepaalde afvlakkingen aan de boven-en onderkant die al deze elementen mede bepalen. Dit heet de upper- en undercut van het blad.

Het blad is dus het deel waar de fluitist tegenaan blaast zodra de lucht de windgang uitkomt. In onderstaande dwarsdoorsnede ziet u dat het blad uitloopt in een punt; dit is het deel waarop de lucht ‘gebroken’ wordt, en waardoor de fluittoon ontstaat. Het deel daaronder noemen we de kamer en bepaalt meer de klankkleur. De grootte en het verloop van de kamer heeft invloed op de luchtstroom die naar de body van de whistle geleid wordt.


Een deel van het probleem hebben hiermee we al te pakken; de nabewerking kost veel tijd. Met een carbon-houdend kopstuk zijn we ongeveer een half uur bezig om het volledig glad te krijgen. Belangrijk is ook om het kopstuk volledig massief te printen, zodat er geen ‘gaten’ in vallen tijdens het schuren of polijsten.

De tijd die een gewone 3D printer er over doet om een kopstuk te printen met een laagdikte van 0.1mm is ongeveer 7 uur. De printer mag niet te snel gaan om geen nauwkeurigheid te verliezen bijvoorbeeld, maar ook niet te langzaam om geen filament blobs te krijgen. Natuurlijk zijn er snelle printers op de markt, maar die zijn groot en kostbaar.

Bij een nieuw ontwerp moest dus rekening gehouden worden met de printtijd, en met de nabewerking van het materiaal zonder afbreuk te doen aan de ‘muzikale’ eigenschappen, zoals eerder genoemd.

Testen zonder te maken?

Tot zover het materiaal en de nabewerking. Als laatste hebben we gekeken naar de muzikale eigenschappen van ons kopstuk. Kon dat beter? En hoe pakken we een eventuele verandering aan? Waarom veranderen? We zijn gaan kijken en luisteren naar hoe ons kopstuk werkte en hoe het klonk. Moeilijk te zeggen of het beter kon, dat is dus een kwestie van proberen, zou je denken. Vroeger misschien wel Maar met de techniek van tegenwoordig kun je al voorspellingen doen over de eigenschappen van een ontwerp zonder dat je het gemaakt hebt; je kan op de computer eerst allerlei simulaties doen. Bij een nieuw model trekhaak kun je zo uitrekenen hoe en of bepaalde krachten die op het materiaal terecht komen effect hebben op duurzaamheid.

Bij muziekinstrumenten of onderdelen daarvan, kun je een zogenaamde ‘flow-simulatie’ doen. Je laat een virtuele luchtstroom lopen door het mondstuk, en de computer rekent daarna uit hoe de luchtstroom zich gedraagt. Alleen; hoe hard blaast iemand door een mondstuk? Hier zijn verschillende artikelen over te vinden. In de praktijk blijkt dit tussen de 1.0-1.5 mtr/s te zijn.

In bovenstaande afbeelding zie je het resultaat van een bepaalde meting door het Artist kopstuk en een deel van de body. Opvallend is de circulaire beweging die ontstaat in de kamer van het kopstuk, waarna deze de body in stroomt.

Opbouw nieuw ontwerp

Er zijn diverse programma’s om iets te ontwerpen in 3D. In het geval van ons kopstuk begin je met een cirkel met een maat (diameter) in een bepaald vlak. Deze cirkel is de binnendiameter van de schacht die op de body moet passen:

Een cirkel in een vlak

Vervolgens kan je vanuit de cirkel een vorm bepalen, bijvoorbeeld een staaf, of een buis met een bepaalde dikte. Dit heet ‘extruderen‘. Een combinatie van geëxtrudeerde vormen heet ook wel een solid.

Door diverse vormen te tekenen in de daarvoor bestemde vlakken, en ze vervolgens een vorm en functie te geven, bouw je een compleet model op. Vormen kunnen bestaan uit allerlei wiskundige figuren, maar er kan ook vrij getekend en gevormd worden; de mogelijkheden zijn echt eindeloos. Een voorwerp dat af is heet ook wel een ‘part’. Diverse parts kunnen samen een ontwerp vormen. Dit heet dan weer een ‘assembly’. Hierover later meer.

.

Op, naast of in deze buis kun je vervolgens een nieuw vlak zetten. Vandaaruit teken je verder, totdat je bijvoorbeeld een kopstuk hebt… Dit kan een tijdrovende klus worden…

Een geëxtrudeerde cirkel

Net zo goed als je elemeten kunt bouwen, kun je ook holtes maken. Hier zie je het Artist model als massief geheel: de windgang, de window en het blad ontbreken hier nog. Door ‘guide curves’ te gebruiken bij de opbouw van het model wordt de vorm bepaalt. Hierover later iets meer.

deQuelery Artist head - copyright deQuelery Windinstruments

deQuelery Artist head – copyright deQuelery Windinstruments

De windgang is een belangrijk onderdeel; het bepaalt de snelheid waarmee tegen het blad geblazen wordt, maar ook de tegendruk die de muzikant ervaart; hoe nauwer de windgang, hoe harder er geblazen zal moeten worden, wat nadelig kan zijn voor de octavering; hiervoor moet namelijk harder in het mondstuk geblazen worden.

Het kopstuk in zijn geheel  moet dus niet alleen fijn aanvoelen, het moet snel aanspreken (snel gaan fluiten), maar ook weer niet te makkelijk, anders valt de tegendruk weg. Het begrip tegendruk is overigens een onderwerp op zich onder fluitisten.

Met deze tekenpaketten worden de meeste uiteenlopende voorwerpen ontworpen. Door de objecten de juiste materiaaleigenschappen mee te geven kunnen niet alleen simulaties gedaan worden die rekening houden met het materiaal, ook kunnen vervolgens fotorealistische afbeeldingen gemaakt worden waarbij het object in een bepaalde omgeving geplaatst wordt. Dit heet een ‘rendering’.

Bovenstaande afbeelding is een voorbeeld van een fotorealistische rendering van een mondstuk op een spiegelend zwart vlak; lichtval, spiegelingen, materiaal, reflecties, kleuren, het is allemaal in te stellen en te bewerken. Het afgebeelde mondstuk is een Artist Serie mondstuk met een extra schacht van 4 cm.

Door deze rendering kunnen we al voordat er een prototype gemaakt is een idee krijgen over hoe het object er uit komt te zien.

Tot zo ver deel I. In deel II gaan we verder uitleggen hoe materiaal eigenschappen werken, en hoe het Artist model verder vorm krijgt. Ook leggen we uit hoe een model uit een tekenpakket omgezet wordt in een object wat je kunt printen. Hierbij komt het begrip triangulatie om de hoek kijken. We gaan zien dat het printen in 3D eigenlijk een compromis is bij de opbouw van een object.

Deel I – Introductie | Deel II – Ontwerp | Deel III – Simulaties |Deel IV – 3D printen

Share the music!

This post is also available in: Engels

Leave A Comment

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

Bellen
Route