AK-X

Warten auf Wingletbelastung

Der aktuelle Stand des Bruchwinglet

Nachdem der Bau des Bruchwinglets abgeschlossen wurde, hat uns das vergangene Jahr die Vorbereitung des Winglet-Bruchversuchs beschäftigt. Wer nochmal nachlesen möchte, wie das Bruchwinglet gebaut wurde und warum wir einen Bruchversuch durchführen wollen, kann das hier tun:

Nach der Auswertung der aerodynamischen Lastfälle, welche durch die Bauvorschrift gegeben waren, beschäftigte uns vor allem die Einspannung des Winglets. Wir haben uns hierbei für den Bau eines „Dummyflügel“, also eines Flügelendteils entschieden, welcher wiederum an ein geschweißtes Stahlgestell angebunden wird. Schlussendlich wird dieses mit dem Boden verschraubt.

Diese Lösung gibt uns nicht nur Festigkeitsvorteile, sie erlaubt uns auch die Krafteinleitung vom Winglet in den Flügel realitätsnah zu testen. Allerdings hat sie den Nachteil aller aufwändigen Fertigungsverfahren einer Flügelstruktur. So zogen wir erneut (wenn auch sehr kurze) Holmgurte, passten Stege ein, bauten Rippen und laminierten Schalen und Anwinklungen. All dies wurde noch dadurch erschwert, dass wir die entsprechende Flügelform schon längst weggeräumt und eingelagert hatten.

  • Flügelansatzstück-Verlängerungen zum Homgurt ziehen
  • Fertig gezogener Holmgurt
  • Einpassung des Holmstegs
  • Verkleben der Holmgurte mit dem Holmsteg
  • Frisch laminierte Schubbelegung und Verstärkungslagen für die Einspannung
  • Rippen und Endleistensteg

Ein ebenso großes Projekt stellte dann noch der Steckmechanismus dar. Neben dem normalen Aufwand des Drehens von Buchsen und Bolzen, dem Bohren, Einpassen und Verkleben wurde aufgrund hoher Lasten und der notwendigen Steifigkeit entschieden, den Mechanismus noch um einen Steckbolzen am hinteren Querkraftbolzen zu ergänzen. Somit musste zusätzlich noch am eigentlich bereits fertigen Bruchwinglet eine Buchse ersetzt werden.

  • Fertiger Flügeldummy und Bruchwinglet
  • Verklebte Steckungsbolzen
  • Erste Hälfte der Stummelbox
  • Geschlossene Stummelbox
  • Mobile zur Lasteinleitung
  • Bisheriger Stand des Gesamtaufbaus ohne Mobile

Aktuell ruhen die Versuchsvorbereitungen, wir hoffen aber, sobald sich die Situation wieder bessert, bald einen Termin mit dem KIT Institut für Stahl- und Leichtbau, Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine (VAKA) vereinbaren zu können, welches uns dankenswerterweise bei der Durchführung des Versuchs unterstützt.

AK-X

Bruchwinglet – Part IV

Der letzte Artikel zum Bruchwinglet befasste sich mit dem Innenleben des Bauteils. Nach dem Verkleben der beiden Schalen ist dieser Bereich nicht mehr erreichbar und damit definitiv abgeschlossen. Das Entformen ist dann immer eine besondere Aktion: Zum ersten Mal hat man das neue Teil „vollständig“ in der Hand.

Bei den Winglets der AK-X ist die Struktur damit aber noch nicht vollständig fertig: Durch den scharfen Knick haben die Holmgurte bei Biegung des Winglets nach außen die Tendenz, sich vom Steg abzulösen (siehe Bildergalerie). Die Verklebung allein kann diese Belastung nicht aufnehmen, daher wird der Holm im Knickbereich mit Rovings umwickelt, um die Gurte zusammenzuhalten. Dieses Verfahren war für uns völlig neu und auch etwas mühsam, hat aber sehr gut funktioniert.
Schließlich wurden noch Deckel infiltriert, die die Schale über der Wicklung von außen schließen.

Außerdem mussten für die Steckung an den Flügel noch von außen mehrere Löcher gebohrt werden. Nach dem Erfolg dieser etwas nervenaufreibenden Aktion (schließlich könnte man das in vielen hundert Arbeitsstunden entstandene Teil erheblich beschädigen) konnten dann die letzten Messingbuchsen eingeklebt werden, über die sowohl im Bruchversuch als auch im Flug die Lasten an den Flügel übertragen werden.

Schließlich blieb noch das Besäumen der überstehenden Schale, um die Außenkontur auf die Endabmessungen zu bringen, das Einpassen und Einkleben der Deckel und Finishen der Oberfläche.
Parallel dazu wurde eine Transportkiste vorbereitet, um den sicheren Versand nach Paris sicherzustellen – und damit wären wir wieder am Anfang dieser Beitragsreihe.

  • Frisch aus der Form gepellt. Die Schale muss stellenweise noch zugesägt werden.
  • Im Knickbereich wirkt auf die Holmgurte eine Schälbeanspruchung…
  • Um diese abzufangen wurden bereits vor dem Bau der Schalen Inserts und Wachsplatten in die Form geklebt…
  • … um dann nach dem Entformen durch die entstandenen Schlitze den gesamten Holm im Knickbereich zu umwickeln.
  • Die Kohlefaserrovings halten die Gurte auch bei Schälbeanspruchung zusammen.
  • Zur Abdeckung der Wicklung wurden Deckel infiltriert…
  • Die Deckel werden eingepasst und schließen die Schale über der Wicklung.
  • Zum Schluss wird der bestehende Lack angeschliffen und für das Messefinish noch einmal überlackiert.

Aktuell arbeiten wir am Versuchsaufbau und dem Ablauf des Bruchversuchs. Dazu werden wir natürlich bald wieder berichten.

AK-X

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
AK-X

Bruchwinglet – Part II

Die Winglets der AK-X sind nicht nur ungewöhnlich groß, sondern müssen auch viel mehr Funktionen erfüllen als die Flügelenden herkömmlicher Flugzeuge. Wie bereits an früherer Stelle erklärt, gibt es hier einige aerodynamische Herausforderungen, die wiederum hohe Anforderungen an die Struktur stellen:
Für die Funktion als Seitenleitwerk ist ein hoher erreichbarer Maximalauftrieb nötig. Dieser sorgt (zum Beispiel bei hohen Geschwindigkeiten in böiger Luft) für sehr hohe aerodynamische Lasten auf das Bauteil. Insbesondere der enge Knick im Übergang von Flügel zu Winglet stellt durch die Umlenkung des Kraftflusses hohe Ansprüche an die Festigkeit. Gleichzeitig müssen die Winglets aber besonders leicht sein, um bei hoher Geschwindigkeit nicht das Flattern zu begünstigen.
Um diese widersprüchlichen Forderungen zu erfüllen kamen beim Bruchwinglet einige besondere Bauweisen zum Einsatz, die in den folgenden Blogbeiträgen genauer beschrieben werden sollen:

Zuerst ging es an den Bau der Schalen. Eine Neuheit für uns war die Verwendung von Biaxialgelege für die großen Kohlefaserlagen anstelle des im Flügel verwendeten Gewebes. Der für die Verstärkung des Knickbereichs aufwändige Lagenaufbau und die Harz- und damit Gewichtsersparnis sprechen für Vakuuminfusion der Außenschale anstelle des klassischen Handlaminierens. Um einen zusätzlichen Verklebespalt zu sparen und die mehrfach gebogene Geometrie überhaupt realisieren zu können, wurden die Holmgurte direkt in die Schale integriert. Das Laminat wurde dadurch relativ dick – und damit die Unsicherheit, ob das Harz überhaupt alle Lagen durchtränken kann. Um das kontrollieren zu können (und natürlich um das Gelege bestaunen zu können 😉 ) hatten wir mit Klarlack in die Form lackiert.
Stützschaum und Innenlaminat wurden konventionell gebaut, denn hier hätte die Vakuuminfusion durch Auffüllen der Poren im Schaum mehr geschadet als gespart.

  • Die erste Schicht eines außenliegenden Bauteils bildet der Lack (hier Klarlack), der direkt in die Form lackiert wird.
  • Zuvor wurden Wachsplatten und 3D-gedruckte Offsets in die Form geklebt, um Vertiefungen in der Schale, z.B. für Klebeflächen zu modellieren.
  • Einlegen der Gelege und Gewebe für die Außenschale – das erste arbeitsintensive Wochenende der nächsten zwei Monate
  • Zuerst werden Gewebe und Gelege der eigentlichen Schale mit zahlreichen Verstärkungslagen im Knickbereich eingelegt.
  • Es folgt der Infusionsaufbau: Lochfolie, Fließhilfe sowie die Schläuche für Harzzufluss und Absaugung.
  • Schließlich wird alles in Vakuumfolie verpackt, abgedichtet und der Harzzufluss kann geöffnet werden!
  • (Zwischen-) Ergebnis: Das fertige Außenlaminat der Oberschale. Gut zu sehen ist der in die Schale integrierte Holmgurt.
  • Als Nächstes wird der Stützschaum eingeklebt. Er verhindert Beulen an den dünneren Stellen des Laminats.
  • Und zu guter Letzt folgt das Innenlaminat. Hier die fertige Unterschale.

So hatten wir nach etwa drei Wochen mit mehreren Ganztages-Bauaktionen zwei schöne Schalen, die nur darauf warteten, mit Einbauteilen gefüllt zu werden. Um deren Entstehung geht es im nächsten Artikel.

AK-X

Bruchwinglet – Part I

In den letzten Wochen, man kann auch fast schon Monaten sagen, waren wir wieder ziemlich fleißig und haben hinter verschlossenen Türen einiges geleistet. Wir haben uns so bedeckt gehalten, da wir uns unsicher waren, ob wir den ambitionierten Zeitplan einhalten können. Doch es ist uns gelungen, deswegen ist jetzt die Zeit gekommen über das Ergebnis zu berichten: ein strukturfertiges linkes Winglet, welches als Bruchwinglet verwendet wird.

Dieses Winglet befindet sich gerade als Leihgabe bei C. Cramer, Weberei, GmbH & Co. KG – Division ECC, die das Winglet als Ausstellungsstück auf der JEC World in Paris nutzen. Davon sind unten ein paar Bilder angehängt.

Wir haben das Winglet aus mehreren Gründen gebaut. Der erste Grund ist offensichtlich: um einen Bruchversuch durchzuführen. Dieser ist bei den doch großen Abmaßen nötig. Der nächste Grund ist am Winglet sichtbar: um die besonderen Gewichtsanfoderungen bei hoher Steifigkeit zu erfüllen, haben wir im Winglet auf zum ersten mal Biaxial-Gelege verbaut. Das Bruchwinglet ist dafür ein Verarbeitungstest. Auch sonst haben wir den Bau als Proof of Concept verwendet, denn im Winglet – wie ja auch im gesamten restlichen Flugzeug – haben wir das ein oder andere unkonventionelle Bauverfahren angewand und die Fertigung geplant und verfeinert.

Wie der Bau des Winglets genau abgelaufen ist, folgt bald in einem weiteren Artikel.