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Bruchwinglet – Part III

Wie im letzten Artikel zum Bruchwinglet berichtet, sind die Schalen die größten und bei der AK-X auch aufwändigsten Einzelteile der Winglets. Nach deren Fertigstellung fehlt allerdings noch ein Großteil der Struktur, nämlich Holm- und Endleistenstege zur Kraftübertragung zwischen den Gurten bzw. den Schalen sowie einige Rippen und Stege für die Steckung zwischen Flügel und Winglet und ein Lagerbock für die Steuerung.
Für die passgenaue Fertigung haben wir zwei verschiedene Verfahren gewählt:
Die kleineren Teile, die präzise positionierte Bohrungen für die Steckungsbuchsen oder Lagerungen benötigen, sind geometrisch teils komplex. Wie auch schon für viele andere Einbauteile der AK-X wurden hierfür Formen FDM-3D-gedruckt. Das hat den Vorteil, dass kostengünstig und mit wenig Vorlauf- und Arbeitszeit auch komplizierte Formen realisiert werden können, die geometrisch gut dem CAD-Modell entsprechen.
Für die Holm- und Endleistenstege ist dieses Verfahren jedoch allein durch die größeren Abmessungen unpraktisch. Außerdem kommt es hier weniger auf exakt dem CAD-Modell entsprechende Geometrie an, sondern es ist wichtig, dass die Teile genau in die Schalen und somit zur realen Form der schon hergestellten Struktur passen. Dafür haben wir die Schalen geschlossen und den so entstehenden „Bauraum“ ausgeschäumt. Aus dem entformte Schaumkern wurden Positive, die den späteren Teilen entsprechen, ausgeschnitten und mittels Schleifen und Spachteln der gewünschten Form angepasst. Auf diesen Positiven konnten nun konventionelle GfK-Negativformen laminiert werden. Zur Verstärkung gegen Beulen wurden zugunsten eines niedrigen Bauteilgewichts und einfacher Herstellung Sicken durch in die Form geklebte „Linsen“ modelliert.
Formen sind im Prototypenbau oft die halbe Arbeit, und so konnten wir die eigentlichen Teile in wenigen Laminieraktionen zügig bauen.
Bei den Vorbereitungen zum Einkleben der Teile in die Oberschale zeigte sich der Vorteil des vielschrittigen Formenbaus: Insbesondere die mittels Schaumkern geformten Stege passen perfekt. Zuerst wurden die Stege im senkrechten Teil des Winglets eingeklebt. Für die sechs verbleibenden Teile machte sich die besondere Unterkonstruktion der Formen bezahlt: ohne eine horizontal ausrichtbare Verklebefläche (wenn auch in etwas unergonomischer Höhe) wäre die gleichzeitige genaue Positionierung der einzuklebenden Teile kaum möglich.
Schließlich konnten wir das Bruchwinglet endlich zukleben. Normalerweise ist das der letzte große Arbeitschritt an der Struktur einer Baugruppe. Doch was ist schon normal beim Bau eines Nurflügels? Um eine weitere strukturelle Besonderheit der Winglets und die letzten Arbeiten am Bruchversuchsteil geht es im nächsten Artikel…

  • Zuerst wurden die Schalen mit Folie ausgekleidet und mit Wachsplatten ein Verklebespalt simuliert.
  • Dann wurde die Form geschlossen und der Hohlraum ausgeschäumt.
  • Aus dem Schaumkern lassen sich Formkerne für die Einbauteile gewinnen…
  • … aus denen wiederum konventionelle Negativformen entstehen.
  • Schließlich werden darin die Holm- und Endleistenstege laminiert.
  • Andere Einbauteile entstehen in 3D-gedruckten Formen.
  • Genaues Ausrichten vor dem Einkleben in die Schale
  • Fertig eingeklebte Teile und Schaumbarrieren für das Verklebeharz
  • Fertig aufgetragenes Verklebeharz kurz vor dem finalen Schließen der Form
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AK-X Bruchflügelbau: Vorbereitung der Flügelformen

Dies soll der erste einer ganzen Reihe Blogartikel werden. Worum es geht? Um unseren Dauerbrenner: Den Bau der AK-X. Wir haben angefangen den Bruchflügel zu bauen, der im dritten Quartal dieses Jahres getestet werden soll.
Bevor der Bau jedoch beginnen konnte, musste alles dafür vorbereitet werden. Nachdem die Flügelformen, die wir im Februar und März bei der Firma DG-Flugzeugbau in Bruchsal freundlicherweise fräsen durften (Artikel zum Formfräsen), auf ihren Gestelle geklebt wurden, wurden sie nun abschließend für ihren Einsatz vorbereitet. Um eine optimale Flügeloberfläche zu gewährleisten, muss die Form absolut glatt sein. Dazu wurde sie zunächst mit einem Fülllack lackiert und dann geschliffen, um alle Rautiefen, die vom Fräsen geblieben sind, zu entfernen.

Da der Flügel in der Form von außen nach innen aufgebaut wird, wird in die Formen zu allererst der Lack aufgetragen. Damit sich dieser später noch möglichst schadensfrei aus der Form lösen lässt, wurden die Formen mit vier Lagen Wachs beschichtet. Das dazu verwendete „Spacewachs 200“ wurde uns von der Firma „Jost Chemicals“ gestellt.

Die AK-X wird zum Großteil aus Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) gefertigt. Die benötigten Schichten sind jedoch sehr dünn (bei der AK-X: ca. 1-2mm). Solche dünnen Schichten sind jedoch kaum in der Lage die so wichtige Flügelkontur auch unter Last beizubehalten. Sie tendieren dazu Beulen und Falten zu schlagen, wie ein Blatt Papier, dass man zusammenschiebt. Um das zu verhindern, wird die Schichtdicke des CFK durch den Einsatz eines sog. Kernmaterials erhöht. Dieses ist i.d.R. ein sehr leichter Hartschaum. Wir verwenden 10mm dickes „Divinicel H60“, das uns von DIAB bereitgestellt wurde. Als letzten Schritt in den Vorbereitungen musste dieser zugeschnitten und die Kanten abgeschrägt (geschäftet) werden.

Am Dienstagabend lag dann tatsächlich alles bereit.

 

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AK-X: Sichtbarer Baufortschritt am 1:2-Modell

Die Arbeiten am fliegenden Rumpf der Tiefdeckervariante gehen mit großen Schritten voran. Derzeit werden Rippen nach Vorgaben des CAD-Modells in die Rumpfhalbschalen eingepaßt, die die notwendigen Versteifungen und Aufnahmepunkte der Fahrwerkskonstruktion bieten.

 

Gleichzeitig wird am Formkern einer Mitteldeckervariante gearbeitet. Dazu wurde die grobe Rumpfgeometrie mittels Rippen und Styroporkernen hergestellt und anschließend mit Spachtel, Glasgewebe und einer Füllerschicht in die endgültige Form gebracht. Im Augenblick laufen die letzten Finisharbeiten an diesem Urpositiv, das noch auf Hochglanz gebracht werden muß, bevor eine Negativform davon abgenommen wird.

akx-mitteldecker

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Formenbau How-To

Dies ist eine kleine Anleitung, wie man mit GFK-Materialien eine Form baut.
Unser Urpositiv ist ca. 150cm lang und an der Stelle des größten Umfangs ca. 50cm hoch und 25cm breit. Aufgrund dieser Größe war für uns der Materialaufwand eine Form zu Fräsen viel zu hoch. Deshalb haben wir uns dazu entschieden ein Urpositiv zu bauen und dieses abzuformen.
Für unsere Formen hat uns die Firma HP-Textiles freundlicherweise folgende Materialien bereitgestellt:
– 5m² Glasfilamentgewebe 105g/m² Köper HP-T110E
– 25m² Glasfilamentgewebe 1000g/m² HD-Leinwand HP-HD1000EF
– 10kg Formharz HP-E30FB plus entsprechend Härter (Mischverhältnis 100:10)
– 15kg Laminierharz HP-E56L plus entsprechend Härter (Mischverhältnis 100:40)
– 500ml Grundierwachs HP-G
– 500ml Trennlack HP-PVA
– Baumwollflocken und Glasfaserschnipsel
Folgendes Video veranschaulicht die Vorgänge wobei ähnliche Materialen verarbeitet wurden, die Vorgehensweise ist jedoch identisch.

Schritt 1: Urpositiv eintrennen
Um eine Form herzustellen benötigen wir ein Urpositiv. Dieses sollte vor dem Beginn des Formbaus sicherheitshalber mit Trennwachs eingetrennt werden. Dazu wird mit einem Stofftuch das Grundierwachs aufgetragen und nach ca. 10 min sanft auspoliert. Anschließend wird der Trennlack dünn, aber vollständig deckend aufgetragen, am besten mit einem kleinen feinporigen Schwamm.

Schritt 2: Trennebene
Das abzuformende Positiv darf keine Hinterschneidungen aufweisen, sonst ist es nicht möglich, eine einzige Form zu erstellen. Falls diese Bedingung nicht erfüllt ist, muss das Positiv in Teilstücke aufgeteilt werden, die diese Bedingung wieder erfüllen.
Die Aufteilung wird durch die Trennebenen realisiert, die die Formen von einander Trennen. In unserem Fall haben wir uns für insgesamt drei Formen entschieden; zwei große Halbschalen und ein kleines Teilstück. Die Trennebenen sollten möglichst eben sein und wenn möglich Symmetrien ausnutzen. Außerdem sollte die Fläche, die eine Trennebene aufspannt, möglichst groß sein, damit die Form stabil wird.
Eine Trennebene lässt sich gut mit einfachem Holz realisieren: die Kontur des Positivs grob, aber möglichst nahe, ausschneiden und danach mit Spachtelmasse (hier eignet sich Polyesterspachtel, da sich dieser von dem eingetrennten Positiv gut lösen lässt) der Kontur exakt anpassen durch abrücken der Form. Dann muss die Trennebene ebenfalls mit Trennwachs behandelt werden. Hierfür klebt man eine Folie auf das Holz oder einfach nur Paketband. An scharfen Rundungen oder Spalten kann man auch mit weicherem Klebeband, Knete oder Acryldichtmittel arbeiten. Am Schluss muss dann, wie bereits gesagt, alles mit Trennwachs HP-G eingetrennt werden.

Schritt 3: Formharz
Das Formharz HP-E30FB ist metallisch gefüllt und sorgt für eine für eine metallähnliche und hochwertige Oberfläche der Form. So erreicht man später beim Erstellen des Duplikatpositivs beste Ergebnisse.
Das Formharz wird über der gesamten Fläche ungefähr 1-2mm dick aufgetragen. Das lässt sich am besten mit einem Spachtel realisieren: einfach das Formharz auf das Positiv geben und mit einem Pinsel oder Spachtel großzügig verteilen und verstreichen.
Um das Risiko des Abdrückens von Gewebe in der Form zu minimieren arbeiten wir mit einer Trockenkupplungsschicht – es wird eine Mischung aus Baumwollflocken HP-BF1 und Glasfaserschnipsel HP-GS6 auf das Formharz gestreut. Anschließend geben wir dem Formharz einen Tag Zeit zum Aushärten.

Schritt 4: Glasfilamentgewebe
Bevor man mit dem Belegen beginnt müssen die losen Baumwollflocken und Glasfaserschnipsel entfernt werden. Dafür kann man vorsichtig mit einem Handfeger über die Oberfläche streichen oder einen Staubsauger verwenden.
Nun kommt eine Schicht mit Baumwollflocken angedicktes Laminierharz auf die Form. Besonderen Wert sollte man dabei auf Ecken, Kanten und Unebenheiten legen und diese möglichst ausgleichen. Die Schicht kann man bei Bedarf ein wenig angelieren lassen bevor man mit dem Laminieren beginnt.
Das verwendete Hochlast-Laminierharz HP-E56L ist niedrigviskos, weist eine Topfzeit von ca. 1h auf und erreicht einen TgMAX >90°C.
Die erste Lage des Laminats besteht aus 105g/m² Glasfasergewebe HP-T110E. Damit minimiert man ebenfalls das Risiko des Durchsetzens des Gewebes und sichert sich eine hohe Oberflächenqualität. Danach folgen mehrere Lagen des 1000g/m² Glasfasergewebe HP-HD1000EF um die Festigkeit und Stabilität der Form zu sichern. Der Vorteil dieses schweren Gewebes ist, dass man im Vergleich zu leichteren Gewebe viel weniger Lagen aufbringen muss um das gleiche Ergebnis zu erhalten. Außerdem ist es aufgrund der speziellen Webart sehr gut um feine Rundungen zu legen, trotz des großen Flächengewichts. Für unsere Form haben wir 5 Lagen verwendet.
Die Gewebelagen sollten sinnvollerweise aus einzelnen Gewebestücken aufgebaut werden, so kann man das Gewebe besser an die Kontur des Positivs anpassen. Dabei muss man beachten, dass sich die einzelnen Gewebestücke immer ca. 2cm überlappen und dass die Überlappungszonen in den verschiedenen Lagen nicht übereinander liegen. Außerdem sollte man darauf achten, dass die Ausrichtung des Gewebes von Lage zu Lage variiert.
Zum Schluss wird noch eine Lage Abreißgewebe aufgebracht werden. Dann lässt man der Form wieder einen Tag Zeit zum Aushärten.

Schritt 5: Unterbau
Da man die Form später umdrehen muss um mit ihr zu arbeiten muss noch ein Unterbau an die Form angebracht werden. Dafür kann man einfache Holzplatten nehmen und diese an der Form anbringen. Zusätzlich dazu erhöht der Unterbau auch nochmals die Festigkeit der Form.
Falls das Positiv nicht so groß ist kann man den Unterbau auch gleich im Schritt 4 mit der Form zusammen aus Laminat herstellen.

Schritt 6: das Ganze nochmal
Die erste Form ist nun fertig, es kann die Zweite gebaut werden. Dafür stellt man nun alles vorsichtig auf den Unterbau der ersten Form – dabei sollte man darauf achten, dass sich das Positiv nicht aus der Form löst. Die Trennebene aus Holz wird nun entfernt, da die erste Form jetzt ebenfalls eine Trennebene besitzt und diese abgeformt wird. Eventuell muss man noch kleinere Ebenen einbauen. Dann kann man wieder bei Schritt 3 beginnen und die Nächste Form erstellen.

Schritt 7: Formen voneinander trennen
Sind alle Formen fertig ausgehärtet kann man die diese voneinander trennen und das Positiv entfernen. Man kann sofort damit beginnen, ein Duplikatpositiv einzulegen.