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.
Mittlerweile ein gewohntes Bild: Das Harz bahnt sich seinen Weg durch ein Bauteil
… oder auch gleich durch drei auf einmal. Das spart Zeit.
Mittlerweile haben sich genug fertige Teile angesammelt, dass der Zusammenbau starten kann.
Der Deckel passt auch schon, die Sicht muss nur noch ein bisschen verbessert werden
Aber alles klappt eben nicht: Holmgurt #6 schafft es leider nur zu einem Anschauungsobjekt
Grund für die Fluguntauglichkeit: Wellen in den Fasern, die gewissermaßen in der Nachspielzeit entstanden
Nichtsdestotrotz geht es mit dem linken Flügel weiter. Hier wird der Holmsteg vorbereitet
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.
Der Schaum im Heckbereich dickt die dünne Kohlenstofffaserschicht auf
Geschafft! Mit einem leichten Knall hat sich die die Schale aus ihrer Form gelöst
Einbauteilform mit Wachsplatten (rot) für den Bau vorbereitet
Und da liegen die ersten Lagen auch schon drin
Auch unser 3D-Drucker kommt wieder zum Einsatz, um notwendige Aussparungen für die Steuerung vorzubereiten
Hier werden unter Vakuum Holzteile eingeklebt, die später als Verschraubungspunkte genutzt werden.
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.
Zunächst werden die Gewebelagen „trocken“, d.h. ohne Epoxidharz in die Form gelegt
Auch eine Kunsstofffaser wird verarbeitet: Das Aramid soll den Piloten im Crashfall vor den scharfen Splittern der Kohlenstofffaser schützen
Am Haubenrahmen wird die Belegung mit zusätzlichen UD-Streifen verstärkt
Kleine Tücke: Das Gewebe, welches am schönsten aussieht, mag sich am wenigsten dem Willen der Verarbeiter beugen
Letzte Vorbereitungen: Das blaue ist eine Fließhilfe, die den Harzfluss erleichtert. Darauf ist bereits der Einlaufschlauch gelegt
Startschuss: Das Harz wird in den Einlaufeimer gefüllt
Es tut uns furchtbar leid: Das ist das einzige Foto vom Prozess selbst. (Wir waren wohl zu angespannt, um Fotos zu machen)
Voll: Das Harz hat seinen Weg durch das Bauteil gefunden und härtet aus
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 😉
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.
Die Form für die Rumpfoberschale: Die gelben Elemente sind Wachsplatten, deren sphärische Kontur mithilfe eines 3D-gedruckten Stempels erzeugt wurde.
Die weißen Formkerne dienen zur Fertigung einer Umwölbung im Haubenrahmen. Die schwarzen Druckteile bilden den Kanal für die Tragseile des Gesamtrettungssystems.
Rechts im Bild: Druckteile zur Aussparung der Haubenscharniere
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.
Auf diesem Bild ist das fertige Außenlaminat der Oberschale des linken Flügels zu sehen. Der Gelbe Schaum dient als Kernwerkstoff, um den Abstand der sehr dünnen Kohlefaserschichten voneinander zu erhöhen…
… Diese Erhöhung ist notwendig, damit die Flügelschalen nicht unter Last beulen, wie ein Blatt Papier, dass man zusammenschiebt…
… An manchen Stellen muss dieser Schaum vor dem Weiterbau jedoch ausgespart werden, um z.B. Platz für die Ruderscharniere zu schaffen.
Bau des Innenlaminats. Um den vorher gezeigten Schaum nicht mit Harz zu ertränken, werden diese Schichten außerhalb der Form mit Harz getränkt.
Nachdem das Innenlaminat aufgelegt ist, wird es mithilfe eines Vakuumsacks an den Schaum gepresst, um eine gute Verklebung zu gewährleisten
Fertiges Innenlaminat. Die Holzbretter sind bereits eine Vorbereitung auf die nächste Bauphase.
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:
In den letzten Wochen herrschte in der Werkstatt reger Betrieb. Mit der AERO Expo Friedrichshafen rückte einer der großen Meilensteine kontinuierlich näher. Ziel war es, alle nicht-fliegenden Versuchsaufbauten bis zu diesem Termin fertigzustellen. Dies ist uns gelungen. Das Ergebnis kann persönlich in Halle B5 am Stand 319 der Idaflieg e.V. begutachtet werden.
Unser Exponat besteht aus zwei Teilen: dem Bruchflügel und einem Rumpf Mock-up.
Den Bruchversuch, ein wichtiger Schritt zur Zulassung eines Flugzeugs haben wir bereits im Sommer erfolgreich absolviert. Dabei wurde die Struktur eines extra dafür angefertigten Flügels über die Nennlast hinaus belastet; in unserem Fall bis zum Bruch bei einem Sicherheitsfaktor von j=2,8. Im Zuge der Nachbereitung dieses Versuchs wurde eine ausführliche Schadensanalyse betrieben, auf deren Grundlagen Details im Aufbau der Tragflächenstruktur weiter optimiert werden konnten. Die Besucher bekommen bei uns am Stand die Möglichkeit, den Bruchflügel genau zu betrachten und die Fortpflanzung des Fehlers nachzuvollziehen.
Weiterhin haben wir ein Rumpf Mock-up angefertigt. Dieses dient verschiedenen Untersuchungen, insbesondere in Richtung Ergonomie, Sichtbedingungen und Bauraummanagement. Der Bau hat sich jetzt schon als überaus wertvoll herausgestellt, da wir die Prozesse in der Fertigung des Rumpfes unter realitätsnahen Bedingungen testen konnten. Daraus können wir bereits geplante Prozesse verfeinern, teilweise mussten wir Prozesse auch neu einführen. Dieses Mock-up kann ebenfalls begutachtet und sogar probegesessen werden.
Mit diesem Meilenstein ist die vorletzte Phase des Projekts beendet. Durch den Bruchflügel und das Rumpf Mock-up konnten letzte Schritte in der Entwicklung verifiziert und validiert werden. Nun konzentrieren wir uns vollständig auf den Bau fliegender Teile, um die AK-X auch in Realität und in absehbarer Zeit abheben zu lassen.
Dafür möchten wir uns an dieser Stelle nochmals bei all unseren Sponsoren bedanken! Eine solche Leistung, auf die wir enorm stolz sind, kann nur in Verbindung mit Personen, Firmen und Institutionen erbracht werden, die das Projekt tatkräftig unterstützen. In diesem Sinne:
Gestern konnten wir endlich das Rumpf Mock-up entformen! Zu sagen gibt es gar nicht so viel, deswegen sollen hier einfach mal die Bilder für sich sprechen.
Um die Formen davon zu überzeugen, dass es Zeit ist, sich zu öffnen, werden Spaltkeile aus Holz verwendet.
Mit dem Deckenkran wird zusätzlich Zug auf die obere Form gegeben….
… um diese anschließend vollständig zu entfernen.
Nach einer ersten Begutachtung des Rumpfs…
… wurde der Haubenausschnitt geöffnet und direkt Probe gesessen.
Etwas mehr Überzeugungsarbeit benötigten die zwei unteren Formen, welche wegen einem Hinterschnitt unterhalb der Tragflächen ebenfalls getrennt werden müssen.
Form – Mock-up – Form
Zur Öffnung der Fahrwerkskästen wurde das Mock-up wieder in die obere Form gelegt.
Aufgrund von Materialengpässen muss der Ausbau der rechten Tragfläche leider zwischenzeitlich ruhen. Um das fertige Laminat der beiden Schalen zu schonen haben wir die beiden Formen gestern geschlossen. Nun werden die Formen der linken Tragfläche vollständig gefinished und für das Einlegen des Laminats vorbereitet.
Mit Hochdruck arbeiten wir jedoch gerade am Bau eines Mock-up Rumpfes. Dieser wird auf der AERO in Friedrichshafen ausgestellt. Wer mal in der AK-X probesitzen will kann uns also sehr gerne am Stand der Idflieg e.V. in Halle B5 Stand 319 besuchen kommen! Über Feedback und Anregungen freuen wir uns sehr! Für das Mock-up muss noch die Oberschale laminiert werden, sowie einige strukturelle Einbauteile wie Fahrwerkskästen und Spanten. Hier ein paar Impressionen von der aktuellen Situation in der Werkstatt:
Das Anheben der ca. 1,5t schweren Formen geschieht mit Hilfe von zwei Kränen.
Die Aufhängungspunkte sind zwar fast im Schwerpunkt der Form, doch für das Wenden sollte man doch besser nicht alleine sein…
Die Positionierung der Formen ist Milimeterarbeit
Geschützt und aufgeräumt
Die Formen für die Einbauteile werden gefräst,…
…gegebenenfalls verklebt und verspachtelt,…
…und verschliffen.
Manche Formen müssen zur Entformbarkeit der Bauteile geteilt bleiben.
Schon im vergangenen Jahr hatten wir begonnen, das größte Teil unseres Prototypen zu bauen: den Flügel. Nachdem die Arbeit sich zuletzt auf den Bau der Rumpfform konzentriert hatte und in den letzten Wochen die Vorbereitungen für den Weiterbau der Fläche liefen, wurde am Wochenende das Innenlaminat fertiggestellt.
Innen- und Außenlaminat werden durch eine Schicht aus festem Schaum getrennt, wodurch die Beulsteifigkeit erhöht wird. Es müssen also einige Arbeitsschritte zwischen diesen Bauabschnitten erfolgen. Dazu gehören vor allem die Vorbereitung des Schaums (auch Stützstoff genannt) und dessen Einkleben in die Form. Wie auch beim Außenlaminat wurde das Innenlaminat weitgehend nach den Verfahren gebaut, zu denen wir schon beim Bau des Bruchflügels Erfahrungen sammeln konnten. Trotzdem gibt es bei einem „echten“ fliegenden Flügel einiges mehr zu beachten: so wurde beispielsweise das Steuerungssystem im Bruchflügel nicht montiert. Zwischen Außen- und Innenlaminat wurden dafür die flügelseitigen Teile der Ruderscharniere angebracht. Auch die Befüllung für den Wasserballast wurde das erste Mal vollständig und funktionstüchtig eingebaut.
Der nächste große Meilenstein auf dem Weg zur Fertigstellung der rechten Tragfläche wird der Bau der Holmgurte sein. Auch in diesem Bereich konnten wir schon beim Bau des 1:2-Modells und beim Bau des Bruchflügels Erfahrungen sammeln, die uns sicher wieder nützlich sein werden. Zunächst müssen wir wiederum einiges an den Flächenformen vorbereiten, denn eine Form für den Holmgurt selbst gibt es (noch) nicht: diese wird direkt in das Innenlaminat gebaut und später wieder entfernt.
Neben der Arbeit am Flügel gehen jedoch auch die Vorbereitung zum Bau des Rumpfes zügig voran. Nachdem wir ein weiteres Mal die CNC-Fräse bei DG-Flugzeugbau nutzen durften, um kleinere Formen – vor allem für den Innenausbau des Rumpfes – zu fräsen, werden diese nun für den Bau der Teile vorbereitet. Auch im Bereich des Rumpfbaus steht schon bald der nächste Meilenstein an: nachdem im Dezember die Form vollendet wurde, wird darin ein Mockuprumpf entstehen.
Die Form vor dem Einlegen des Innenlaminats. Gut zu erkennen: der Stützstoff mit den Ausschnitten für Holm und Bremsklappenkasten.
Die Ruderscharniere werden freigelegt, sodass sie aus dem gerade eingelegten Laminat herrausschauen.
Das fertige Innenlaminat der oberen Flügelschale. Vorne liegt die Wurzelrippe, in der Mitte der Bremsklappenkasten.
Das fertige Innenlaminat der Unterschale, vorn die Vorbereitung für die Wasserballastöffnung.
AK-X
