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Ganz viel Papier… (Teil 2)

Darf man eigentlich einfach so ein Flugzeug bauen, einsteigen und losfliegen?

Jain.

Prinzipiell darf in Deutschland jeder ein Flugzeug bauen, aber im Zweifel macht man dafür auch viel Papier schwarz. Wenn man sich das Flugzeug dabei auch noch neu ausdenkt, wird es schnell mal ein bisschen mehr Papier. Vom ersten Schritt dabei, haben wir schon vor längerer Zeit berichtet. Wem dieses Feld völlig neu ist, sollte daher zunächst Teil 1 lesen.

Wenn man also zusammengetragen hat, was das Flugzeug alles so in seinem Leben erfahren kann und muss, dann ist es an der Zeit auszurechnen, mit welchem strukturellem Aufbau das zu schaffen ist.

TEIL 2: Festigkeitsnachweis

Im ersten Schritt muss man dazu berechnen, bei welchem Lastfall welche Luftkräfte an welchen Stellen auf das Flugzeug wirken können. Dazu gibt es verschiedene Computerprogramme, die von „einfachen“ Wirbelgitterverfahren bis hin zu komplexen CFD-Modellen solche Berechnungen erlauben. Für Kleinflugzeuge ist aus vielerlei Hinsicht ein Wirbelgitterverfahren im Gegensatz zu CFD-Simulationen zweckmäßig:

  • Der Modellierungsaufwand ist überschaubar: Die Eingabedaten können so auch zügig variiert werden. Falls sich im späteren Verlauf doch noch ein Festigkeitsproblem ergibt, sind die Änderungen schnell umgesetzt.
  • Der Rechenaufwand ist gering: Auch mit einem Privatrechner können eine Vielzahl von Lastfällen automatisiert in kurzer Zeit nacheinander durchgerechnet werden.
  • Die Genauigkeit ist meist sogar höher: Woran liegt das? Eigentlich kann eine CFD-Simulation das Problem ja viel detaillierter abbilden. Somit können auch Bereiche mit Unstetigkeiten, wie z.B. der Flügelübergang zum Winglet oder Rumpf besser wiedergegeben werden. Aber das ist eben nur die halbe Wahrheit. Strömungsdynamik ist ein äußerst komplexes Problem. Im Segelflug spielt der Übergang von laminarer zu turbulenter Umströmung von Flügeln eine zentrale Rolle bei der Eigenschaftsbestimmung, da viele Effekte davon beeinflusst werden, ob die Strömung an einer Stelle laminar oder turbulent ist. Diesen Übergang korrekt zu bestimmen ist eine zusätzliche Rechenaufgabe in der Problemlösung, die von vielen Parametern abhängt. Tatsächlich sind die Parametrisierungen in den Programmen, die nur für die Profilberechnung von Unterschallflugzeugen geschrieben wurden besser als die in allgemeingütigen CFD-Solvern. Daher stimmt im Falle der Kleinflugzeuge die Lösung der dafür entwickelten Programme trotz einfacherer Theorie oftmals besser mit der Realität überein. Natürlich kann ein CFD-Solver auch mit einer passenden Parametrisierung gefüttert werden, um für diese Problemklasse die richtigen Ergebnisse zu liefern. Das ist jedoch sehr aufwendig und muss wieder mit Versuchen überprüft werden. Zu viel Aufwand für einen zu geringen Erkenntnisgewinn.

Die Programme, die bei uns zum Einsatz kamen waren AVL und XFOIL, beides Open-Source-Programme vom MIT. Geschickt war die Verwendung auch, weil schon die aerodynamische Auslegung des Prototyps sowie der Flugmodelle der AK-X damit gemacht wurden und somit klar war, dass die Programme auch im Falle unseres Nurflügels brauchbare Ergebnisse liefern. Gesteuert wurde die Vielzahl an Einzelrechnungen durch eine selbst geschriebene Matlab-Routine.

Nachdem wir nun also die aerodynamischen Lasten für unseren Lastfallkatalog kannten, musste das Festigkeitsverhalten unserer Flügel- und Rumpfstruktur untersucht werden.

Für die Flügel haben wir einen klassischen Biegebalkenansatz gewählt und mit unserer Matlab-Routine für den kompletten Flügel ausgewertet. Ein Teil der Ergebnisse wurde im Bruchversuch bereits bestätigt.

Für den Rumpf wählten wir einen anderen Ansatz: Aufgrund der Form und der vielen Ausschnitte für Fahrwerke, Haube, Kupplungen, Rettungssystem, usw. wäre ein Biegebalken eine eher ungenügende Abbildung der Realität. Die Lasten werden schlicht von anderen Effekten, die durch diese Unstetigkeiten hervorgerufen werden, dominiert. Das kann ein Biegebalkenmodell nicht abbilden. Daher wurde der Rumpf mithilfe eines FEM-Modells nachgerechnet. Ob die „bunten Bildchen“ auch tatsächlich die Realität mit genügender Genauigkeit darstellen, wird ein Belastungsversuch am Prototyp zeigen.

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Rumpfausbau

Im ersten Semester Maschinenbau bekommt der Student beigebracht: Doppelpassungen sind Mist. Und was ist das, eine Doppelpassung? Ein einfaches Beispiel: Ich möchte in mein Haus ein Bücherregal auf die Treppe stellen. Weil es schick aussehen soll, soll das Regal dabei auf jeder Stufe einen Fuß haben. Auch ohne es auszuprobieren wird jedem schnell klar: Dass wirklich jeder Fuß seine Stufe berührt, ist extrem schwierig zu schaffen, warum? Weil es mehr Bedingungen als Freiheitsgrade gibt. Im Maschinenbau gilt deshalb die Regel: Jeder Freiheitsgrad wird genau einmal eingeschränkt, es gibt also nur so viele Füße, wie ich unbedingt brauche, damit das Regal nicht umkippt. Alles andere ist eine Doppelpassung.

Und was hat das mit dem Rumpf der AK-X zu tun? Sehr viel: Die Konturen der Einzelteile sind weit komplexer als die einer Treppe. Um geschlossene tragende Querschnitte, dichte Tanks, bequeme Sitze u.ä. zu realisieren, müssen die Einzelteile an vielen Stellen möglichst exakt zusammenpassen – zu vielen Stellen, wenn man an die Treppe denkt. Damit das trotzdem funktioniert, ist Detailarbeit gefragt: Das geht in der Konstruktion los: Welche Teile stoßen wie zusammen? Wie dick sind ihre Schichten, wieviel Ungenauigkeit hab ich beim Bau der Formen und Teile zu erwarten? Wieviel Verklebegut kann ich mir leisten im Hinblick auf Gewicht? Hat der Pilot oder andere Baugruppen noch genug Platz? Usw. Usf…

Beim Zusammenbau zeigt sich nun, wie gut man das alles eingeschätzt hat. Und auch wenn alles erstaunlich gut funktioniert, sind doch auch bei der Montage noch viele Details auszuarbeiten: Wie genau realisiere ich Kabelführungen? Wie kann ich Teile an ihre endgültige Kontur möglichst exakt anpassen? Welche Bohrung setze ich wann, um eine möglichst gute Übereinstimmung mit dem CAD-Modell zu erreichen? …

Alle diese Fragen haben wir uns in den letzten Monaten gestellt und in den Bildern kann man nun einen Zwischenstand sehen:

 

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3D-Druck Steuerungsbauteile

3D-Druckverfahren in der Luftfahrt? Letztes Jahr haben wir schon von unserer Anwendung in der Formmanipulation berichtet. Doch „fliegende Teile“ mit einem Drucker fertigen, noch dazu als Teil der Steuerung? Das ist eine Nummer größer, zu groß, dachten auch wir lange. Der Aufwand, so etwas zu entwickeln und zu testen wäre für uns allein finanziell und zeitlich viel zu groß. Wie gut, dass an so etwas auch andere Leute großes Interesse haben, da es von vielen als Schlüsseltechnologie angesehen wird. Im letzten halben Jahr haben wir so eine Kooperation mit der Firma Rosswag und dem IAM-WK am KIT ins Leben gerufen. Nun ist es spruchreif und die ersten Materialproben befinden sich in der chemischen Analyse. Im nächsten Schritt werden dann die mechanischen Probekörper gedruckt. Diese werden dann von einem unserer Mitglieder in den Laboren des IAM getestet und anschließend für das Luftfahrt Bundesamt (LBA) dokumentiert. So streben wir an, Metall-3D-gedruckte Lagerpunkte für Hebel der Steuerung der AK-X fertigen und einsetzen zu dürfen. Der Vorteil solcher Bauteile für uns im Prototypenbau ist die Möglichkeit sehr komplexe Geometrien und Funktionen in einem einzelnen Bauteil realisieren zu können. Das wiederum vereinfacht die übrige Konstruktion sehr stark, was wiederum Zeit und Geld spart, die Montage vereinfacht und Funktionalität sicherstellt. Auch eine Gewichtsersparnis kann erreicht werden, ist jedoch nicht unser primäres Ziel.

Wir sind gespannt wie es weitergeht und hoffen, zusammen mit unseren Partnern die Allgemeine Luftfahrt technologisch voranzubringen.

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Linker Holm fertig

Seit dem letzten Projektbericht ist schon einige Zeit ins Land gegangen und damals haben wir von Rückschlägen berichtet. Man könnte meinen, die Motivation hätte gelitten. Weit gefehlt: Wir sind nur nicht dazu gekommen, von den letzten Fortschritten zu berichten.

Mittlerweile haben wir den linken Flügelholm fertiggestellt und eingeklebt. Das bedeutet auch, dass bereits sämtliche Aufnahmen für Steuerungsanbauten angebracht sind. Der Holm ist bei der AK-X ein ausgesprochen massives Bauteil: 50,2kg bringt er auf die Waage und macht damit über die Hälfte des Gesamtgewichts (inklusive Lack, Verklebegut, Steuerungsanlage, Flügelschalen, Rippen, Stege, Beschläge, Schotts, etc.) aus.
Besonders spannend während dem Bau des Holms war das Infiltrieren der Schubbelegung. Wenn während dem Prozess etwas schief geht, sind mehrere Monate Arbeit und teures Material gefährdet. Aber auch das hätte nicht besser laufen können und das Ergebnis ist eine verhältnismäßige sehr leichte Belegung mit perfekter Faserorientierung.

Damit ist die letzte Phase des Flügelbaus in den Formen eingeläutet: Der Innenausbau samt Steuerungsmontage. Die Fertigstellung der Konstruktion dieser ca. 250 Einzelteile umfassenden Baugruppe hat uns in den letzten Wochen nochmal einiges abverlangt. Aber nun sind alle Teile in der Fertigung. Unser nächster Beitrag wird sich dann ausführlich mit diesen Teilen beschäftigen.

 

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Es läuft nicht immer alles rund

Letzte Woche fand in Braunschweig das Segelflugsymposium statt. In diesem Rahmen konnten wir einen Einblick in die praktischen Erfahrungen mit verschiedenen modernen Fertigungsverfahren beim Bau der AK-X gewähren.

Eigentlich können wir stolz auf den Baufortschritt der letzten Monate sein. In den Flügel- und Rumpfformen liegen die fertigen Schalen dieser großen Bauteile. Außerdem liegen da etliche Teile, die als Rippen, Kästen, Stege, etc. dort in der nächsten Zeit fest eingebaut werden sollen. Je nachdem, ob man gefertigtes Bauteilvolumen oder Bauteilanzahl betrachtet sind zwischen 60% und 90% der Struktureinbauteile dieses Jahr gebaut worden. Aber wenn man ein Flugzeug zum ersten Mal baut, dann geht auch öfter mal etwas schief. Manchmal ist es Unachtsamkeit, eine falsche Einschätzung, fehlende Erfahrung, Ungeschicklichkeit oder auch mal schlicht Pech. So gibt es manche Teile für unser Flugzeug mittlerweile mehrfach. In den Müll wandern jedoch die wenigsten Ausschussteile. Es gibt eigentlich immer eine Anschlussbeschäftigung, auch wenn die meist nicht viel mit Fliegen zu tun hat.

 

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Rumpfschalen fertiggestellt, Einbauteilfertigung

Nachdem die Rumpfschalen wieder zurück in unserer Werkstatt waren, haben wir uns direkt daran gemacht, auch noch die übrigen Arbeiten daran zu erledigen: Im Heck sind die Schichtstärken so gering, dass eine CFK-Schaum-Sandwichstruktur nötig ist. Es galt also den Schaum einzupassen, einzukleben, besondere Stellen herauszuarbeiten und schließlich die innere Kohlefaserlage aufzulaminieren. Die Übung aus diversen Modellen, dem Bruchflügel- sowie dem Flügelbau machte sich da bezahlt, sodass es jetzt ein Leichtes war, diese Schritte durchzuführen. Und so kam der schöne Moment, bei dem die Oberseite des Rumpfes aus ihrer Form gelöst werden konnte, um in Zukunft die Maßhaltigkeit der Einbauteile in der unteren Hälfte überprüfen zu können.

Apropos Einbauteile: Auch hier haben wir mit der Fertigung begonnen. Zunächst fertigen wir von jedem Teil einen Dummy aus Glasfasern, bei dem wir dann die nötigen Aussparungen heraussägen, um sämtliche Funktionen des Bauteils zu ermöglichen. Zurückgelegt in seine Form ist so ein Dummy dann eine perfekte Schablone, um die Form so zu ergänzen, dass das echte Teil dann ohne Aussparung in den Rumpf passt und seinen Zweck erfüllt.

 

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Rumpfschalen infiltriert

Die letzten zwei Wochen waren arbeitsreich: Drei Akaflieger packten die vorbereiteten Rumpfformen der AK-X ein, um damit nach Rosswälden zur Firma WingsAndMore zu fahren. Warum? Wir hatten uns entschieden die Außenhaut des Rumpfes, welche einen Großteil der Lasten des Rumpfes trägt, im Vakuum-Infusionsverfahren herzustellen. Im Unterschied zum Handlaminieren, welches seit mehreren Jahrzehnten im Kleinflugzeugbau angewandt wird, werden die Fasergewebe nicht mit Epoxidharz getränkt sondern „trocken“ in die Form gelegt. Das hat mehrere Vorteile gegenüber dem Handlaminieren: Es besteht kein Zeitdruck durch aushärtendes Harz während des Einlegens der Fasern. Dadurch kann ein ordentlicheres Laminat erreicht werden. Außerdem ist es vollkommend ausreichend allein bzw. zu zweit an einem ganzen Rumpf zu arbeiten. Das schafft eine ruhigere Arbeitsathmosphäre als die Hektik von 10 oder mehr Leuten. Ein weitere Vorteil ist, dass das Einsaugen des Harzes in die trockenen Gewebelagen deutlich geringere Harzmengen in der Struktur hinterlassen, was ein Gewichtsvorteil gegenüber dem Handlaminieren darstellt. Am Ende wird außerdem eine deutlich höhere Bauteilqualität erreicht, mit deutlich weniger Poren, als das im Handlaminieren möglich ist.

Warum werden dann nicht alle Segel- und Kleinflugzeuge nach diesem Verfahren gebaut? Zum einen lohnt es sich schlicht nicht für die Serienfertigung, da die Taktzeiten deutlich geringer sind, und das Risiko deutlich höher. Hier kommt die Firma WingsAndMore ins Spiel: Beim Einsaugen des Harzes kann einiges schief gehen, wenn man ungeübt ist. Das Verfahren erlaubt nahezu keine Fehler und kann bei falscher Durchführung völlig unbrauchbare Bauteile liefern, wenn das Harz einfach nicht überall da hinfließt, wo es hinsoll. Da wir in der Akaflieg kaum eigene Erfahrungen mit diesem Verfahren hatten, benötigten wir also einige wachsame Augen, die uns die nötigen Tipps gaben und den Prozess überwachen konnten, damit nicht alle Arbeit umsonst war. Natürlich konnten auch sie nicht garantieren, dass unsere Arbeit zum Erfolg führt, aber mit ihren Worten: „Man muss dem Glück eben wenigstens eine gute Chance geben“. Diese Chance war bei einer Firma, die fast täglich dieses Verfahren im Prototypenbau einsetzt, recht hoch.

Am Ende zeigte sich, dass unser optimistischer Ansatz, dieses Verfahren „mal eben“ in unsere Prototypfertigung zu integrieren, sich ausgezahlt hat: Das Harz fand wie selbstverständlich seinen Weg bis in die hinterste Ecke der Form. Wichtigster Vorteil für uns war das stressfreie Einlegen über mehrere Tage. Die dadurch erreichte exakte Einhaltung des Belegeplans und der damit einhergehenden Schichtdicken sind bei den angepeilten Toleranzen der AK-X hilfreich für die spätere Montage des Flugzeugs. Dass „nebenbei“ noch mehrere Kilogramm Harz gespart wurden, eröffnet weiteren Spielraum in der übrigen Konstruktion, um innerhalb der Massengrenzen zu bleiben.

Unser großer Dank gilt der Firma WingsAndMore und ihrem Inhaber Tobias Schmidt, die uns zwei Wochen in ihrer Werkstatt willkommen geheißen haben, immer mit Rat und Tat zur Seite standen, wenn wir nicht weiterkamen und mit ihrer Erfahrung und ihren Ideen letztlich das Gelingen ermöglicht haben. Da haben wir in den zwei Wochen doch glatt mehr gelernt, als das in derselben Zeit in der Uni möglich gewesen wäre 😉

 

 

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3D-Druck Formkerne

Im vergangenen Jahr konnte die Akaflieg gemeinsam mit zwei weiteren Hochschulgruppen am KIT mit Unterstützung durch die Universitätsgesellschaft einen 3D-Drucker für Thermoplast beschaffen. Doch wozu braucht man ein solches Gerät? Der Einbau von Thermoplast-Druckteilen in Flugzeugen steckt noch völlig in den Kinderschuhen. Die Festigkeit von Thermoplastteilen ohne Faserverstärkung bleibt materialbedingt oft weit hinter CFK-Bauteilen zurück. Und „unser“ Drucker kann lediglich ein Volumen von 200x200x300mm drucken, wobei ein Teil, das dieses Volumen ausfüllt, bereits zwei Tage zum Drucken benötigt.

Trotzdem hat der Drucker sich bereits bewährt und seinen Platz in der Fertigung bei der Akaflieg gefunden: Der Bau von Prototypen aus Faserverbundwerkstoffen leidet oft daran, dass sämtliche Formen für ein einziges Flugzeug hergestellt werden müssen. Das ist wirtschaftlich gesehen ein äußerst schlechtes Verhältnis. Das hat zur Folge, dass dafür meist günstige Materialien und Herstellungsverfahren genutzt werden. Für funktionsrelevante Details in den Formen fehlt häufig Zeit, Ressourcen oder Integrationsmöglichkeiten auf Basis der gewählten Fertigungsmethode. Hier kommen nun die 3D-Druckteile ins Spiel. Auf diese Weise ist es kinderleicht, in eine fertige Form zusätzliche Formkerne für Detailelemente zu integrieren. Seien es Aussparungen für Schraubenköpfe, Ventile, zusätzliche Verrundungen, etc. Dem Konstrukteur sind nahezu keine Grenzen gesetzt. Auch Hinterschnitte stellen kein Problem dar: Da die gedruckten Teile eine sehr geringe Volumenausfüllung besitzen, lassen sie sich (fast) mühelos aus dem fertigen Bauteil durch mechanische oder chemische Zerstörung entfernen.

In der AK-X haben wir diese Möglichkeit der gedruckten Formkerne beim Rumpf-Mock-up erprobt. Der Erfolg dieses Vorgehens hat nun dazu geführt, dass auch beim Prototyp eine Vielzahl solcher Formkerne zum Einsatz kommen.

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Weiterer Meilenstein erreicht

Die erste Etappe im Bau der fliegenden Flügel ist abgeschlossen: Nachdem wir im Februar die Schalen des rechten Flügels fertigstellen konnten, haben wir diese Woche den Bau der linken Flügelschalen beendet. Während der Bau des rechten Flügels noch durch einige konstruktive Arbeiten gebremst wurde, konnten wir die Schalen des linken Flügels innerhalb eines Monats bauen. Den nächsten Schritt stellt nun die Fertigung des Holms dar, der die Biegekräfte der Flügel aufnimmt.

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Konstruktion schreitet voran

Nach der erfolgreichen Präsentation des aktuellen Stands der AK-X auf der Aero Friedrichshafen konzentrieren wir uns nun wieder auf das Wesentliche: den Bau eines Flugzeugs. Neben der Fertigung, welche ebenfalls weiter voranschreitet, gibt es immer noch sehr viel zu konstruieren. In wöchentlichen Reviews werden Ergebnisse präsentiert, Lösungen gesucht und viel miteinander diskutiert um neuen Input zu erhalten. Bedingt durch das neuartige Flugzeugkonzept ist eine Übernahme von mittlerweile standardisierten Baugruppen oft kaum möglich; es müssen eigene Konzepte her. Dies hat meist einen erhöhten Aufwand der Konstruktion zur Folge.

Auf Facebook haben wir zu diesem Thema ein Gewinnspiel. Zu Gewinnen gibt es eine kleine Scheibe des Bruchflügels. Schaut doch mal rein:

http://www.facebook.com/akaflieg.karlsruhe