Erster Flügel aufgebaut und analysiert

Auch die ersten aufgebauten Flügel finden nicht Ihren Weg in die Luft. Das Resultat zeigte sich rein äusserlich schon ganz gut, doch brachte Blick ins Innere wichtige Erkenntnisse, welche einen Einsatz im Flug nicht sicher erscheinen liess.

Der Aufbau der Flügel wurde mit Ausnahme von günstigerem Glasgewebe anstelle des vorgesehenen Kohle-Gewebes analog der Beschreibung aus der CAD-Konstruktion umgesetzt. Leider zeigte sich auch hier die mangelnde Baupraxis als grösstes Hindernis. Beim öffnen der Klappen zeigte sich eine ungenügende Verbindung der Innenlage mit dem Scharniermaterial, was nach der Gängigmachung der Klappen zu einem labrigen Ruderbereich führt, gefolgt von einer partiellen Delamination.

Die Schnittbilder zeigten neben vielen positiven Bereichen wiederum eine ungenügende Verbindung zwischen Stützstoff und Aussenlage, sowie eine falsche Dimensionierung der Klappenstege, wie auch weitere Bereiche, welche nach einer Optimierung verlangen.

Konstruktiv gab es bisher wenig zu beanstanden. Einzig die zu geringe Höhe der Klappenstege lässt die Umsetzung hinterfragen. Selbst die RDS-Ruderanlenkungen passen wie vorbereitet in die Schale rein.

Abbildung 539: Schnitt durch Flügelschale im Bereich der Querruder-Servoposition, 60 cm nach Wurzelrippe

Im Kapitel Flügel laminiert erfolgte neben der Aufbaubeschreibung eine detaillierte Analyse der Baufehler zur Optimierung der nächsten Umsetzungen.

Erstes realisiertes Leitwerk unbrauchbar!

Leider ist das erste laminierte Resultat der Leitwerke für die Verwendung unbrauchbar. In der Analyse sind verschiedenen Verarbeitungsfehler aufgedeckt und durch Optimierungsvorschläge zur besseren Umsetzung in einem weiteren Versuch beschrieben worden.

Der Aufbau des Leitwerks erfolgte gemäss der Beschreibung im CAD und wurde ergänzt durch eine Gewichtsberechnung. Diese Grundlagen wurden ergänzt mit einer Beschreibung des Vorgehens in der Herstellung. Sämtliche Details dazu werden im Kapitel Leitwerk laminiert beschrieben.

Bedingt durch die schlechte Oberfläche und die ungenügende Druckfestigkeit im Bereich der Nasenleiste wurde Das Leitwerk zersägt, um einen detaillierten Einblick in das Innenleben zu bekommen. Eine ausführliche Analyse gibt Aufschluss, was verkehrt gemacht wurde und welche Optimierungen umgesetzt werden sollen zur Erreichung eines brauchbaren Leitwerks.

Erster Nasenkonus realisiert

Der Nasenkonus wird zuerst mit UP-Vorgelat eingefärbt und anschliessend aus Glasfasergewebe laminiert. Der Aufbau erfolgt ohne Aufblasen und ohne Vakuum. Durch einen zweiteiligen Bauprozess wird bei einfachster Baumethode eine schöne Trennaht, die notwendige Festigkeit, ein vernünftiges Gewicht und ein  optimaler Empfang gewährleistet.

Abbildung 513: Nasenkonus von Luzi 2 inklusive Negativ-Form

Die Herstellung dieses einfachen Teils wird im Kapitel Nasenkonus detailliert beschrieben, inklusive Gewichtsberechnung und den erkannten Verbesserungspotentialen.

Schablonen, Stege und Rippen

Das Laser-Schneiden zeigt sich als ideale Methode um Schneid-Schablonen oder Stützstoffe direkt in Form zu bringen. Ebenso können die zuvor erstellten CAD- Daten mittels einfacher Hilfsmittel in G-Code konvertiert werden.

Abbildung 509: Laser-Schneidversuche für Bauteile

Man muss kein Maschinentechniker sein, um die 2D CAD-Daten in brauchbare Teile oder Schablonen zu verwandeln. Mittels estlcam wurden die erstellten DXF- Daten für das Laserschneiden aufbereitet in brauchbaren G-Code konvertiert. Entsprechend wurden in diesem Versuch drei Themen geprüft.

1. Erstellen von Schablonen zum schneiden der Gewebe und Stützstoffe aus 1 mm Karton. Hier wurden auch gleich die Positionierschablonen erstellt, welche zur Platzierung der Maskierfolie in der Form genutzt werden. Diese können über die Zentriepositionen optimal ausgerichtet werden und ermöglichen eine gute Reproduktion.

2. Rippen und Stege werden aus Depron bzw. Depron-Sandwich ausgeschnitten. Bemerkenswert ist hier, wie die Wandstärken minimal ausgeführt werden können.

3. Test mit 3 mm Balsaholz und beschichteter  Balsa-Sandwich sind ausgezeichnet.

Detaillierte Informationen zum Laserschneiden sind entsprechend dokumentiert.

Ruderhebel Laminiert

Die ersten Versuche zur Erstellung von Ruderhebeln aus CFK sind realisiert und beurteilt worden.

Das Laminieren der Ruderhebel kann mit den erstellten Formen sehr einfach realisiert werden. An Stelle von normalem Epoxydharz wird UHU Endfest 300 eingesetzt welches sich in den kleinen Mengen deutlich besser mischen lässt. Ebenso wurde der Aufbau des Ruderhebels ausgehend von Carbon-Rovings auf Carbon-Schläuche umgestellt. Die Beurteilung nach der Verwendbarkeit der jeweiligen Aufbauversuche wurde in einem einfachen Vergleichstest durchgeführt.

In diesem Vergleichstest wird auch die Referenz zu einem Ruderhebel aus Federstahl gemacht. Damit steht der Aufwand  zur Herstellung eines Carbon-Ruderhebels in einem deutlichen Missverhältnis zum Nutzen. Der Einsatz ist noch nicht definitiv vom Tisch und weitere Versuche mit dünnen Stahlrohren würden mich auch noch interessieren...

Die Details zu den erstellten Ruderhebeln sind in den entsprechend referenzierten Seiten beschrieben.

Formensatz bereit zum Bauen von Modellen

Nach den Sommereien und ein paar arbeitsgefüllten Tagen konnten nun endlich die negativen Formen fertig gestellt werden. Der eingeschlagene Weg bescherte durchwegs positive Ergebnisse. Die Rückschläge sind auf mangelnde Kenntnisse und zu wenig Professionalität bei der Arbeit verursacht worden.



Die wichtigsten Erkanntnisse und Empfehlungen sind im Kapitel Formenbau-Erfahrungen detailliert zusammengefasst.

Das Laminieren der negativen Formen hat begonnen

Nachdem die gefrästen Formen vorlagen, sind einige schweisstreibende Schleif- und Polier-Stunden vergangen. Das Abformen der Urformen nach dem gewählten Verfahren hat bereits die ersten Formen hervorgebracht.

Abbildung 489: Nasen-Konus-Formen positiv und negativ nach dem Entformen

Der gewählte Aufbau der negativen Formen konnte problemlos umgesetzt werden. Die Arbeitsschritte sind klar und logisch aufeinander abgestimmt und doch nimmt der Formenbau für ein so einfaches Teil wie z. B. der Nasenkonus, bedingt durch das Aushärten, an die drei Tage in Anspruch. Die Arbeitszeit zur Erstellung Einer solchen Form beträgt insgesamt ca. 6 bis 8 Stunden. Dazwischen muss aber das Harz ausgehärtet werden. Der Ablauf wird im Abschnitt Werkzeugbau bzw. Konus negativ detailliert beschrieben.

Leitwerk im CAD modelliert

Der Aufbau des Leitwerks erfolgt prinzipiell anlog zum Flügel, daher wird hier von einem idealisierten Aufbau ausgegangen, damit die Abstände und Dicken der jeweiligen Stege und Rippen erarbeitet werden können. 

Die beiliegende Explosionszeichnung zeigt bereits den auswendigen Aufbau des Leitwerks in den einzelnen Schichten auf. Die Details zu den vorgegeben Konstruktions-Auslegungen sind im Kapitel Leitwerk detailliert beschrieben.

Laser-Schneidversuche

Zur Herstellung von Rippen, Spanten, Stegen aus Stützstoff  und anderen einfachen 2D-Teilen bedarf es eines einfachen Verfahrens, welche basierend auf den CAD-Daten genutzt werden kann.

Das Laser-Schneiden weist gegenüber anderern bekannten Verfahren einige interessante Vorteile auf. Da in der Verarbeitung keine Vibration verursacht, muss weder das bearbeitete Stück geklemmt, noch müssen teure X-Y-Tische eingesetzt werden. Entsprechend drängte sich uns der Kauf eines Bausatz für ein CO₂-Lasers-Schneide und Gravier-System für den Heimgebrauch auf.

Die ersten Schneidversuche sind sehr positiv verlaufen und zeigen potential für unterschiedliche Ansätze. So wurden Stegmaterialien im Sandwich-Aufbau verarbeitet zur Einstellung der Maschinenparameter und zur Prüfung der Machbarkeit.
Die Versuche sind detailliert beschrieben im Kapitel Laser-Schneiden. Aktuell sind die Versuche noch nicht abgeschlossen, aber die ersten Resultate zeigen doch schon interessante Möglichkeiten auf.

Die gefrästen Formen von Luzi sind bereit

Die Zusammenarbeit mit CNC Dynamics AG hat hervorragend funktioniert. Die bereitgestellten Step-Dateien aus der CAD-Konstruktion wurden innerhalb von 14 Tagen im zuvor festgelegten Ebaboard 60-1 gefräst.

Die Frästeile sehen ausgezeichnet aus. Eine Nachbearbeitung ist aber offensichtlich notwendig, da die Fräsrillen noch deutlich spürbar sind.

Abbildung 460 Detailansicht Rumpfform positiv von Luzi 2

Nun erfolgt das Finishen der Oberflächen mit folgendem Vorgehen:

1. 400er trocken schleifen
2. Nitro-Schleifgrund auftragen, 2 h ablüften
3. 800er nass schleifen
4. Blau lackieren
5. Rot lackieren
6. 1200er nass schleifen

7. Polieren mit Polierpaste

Weiteres erfolgt nach der Bearbeitung :-)

Detailkonstruktion des Flügels

Als Vorbereitung zur Erstellung der Fräsvorgaben musste der innere Aufbau des Flügels zuerst verifiziert werden. Dazu wurde ein fiktiv gewählter Ansatz für einen Schalenaufbau mit Stützstoff gewählt.

Schnitt durch Flügel im Bereich des Flächenverbinders

Die Positionierung der Klappenservos für Wölb- und Querruder in RDS-Ausführung wurden detailliert aufbereitet. Damit konnten sowohl die Stege, die Rudertaschen, Sevodeckel und auch die Freistellungen im Stützstoff als Basis für die Schnittschablonen festgelegt werden. In den Konstruktionsüberlegungen sind nach wie vor verschiedene Ansätze zur Umsetzung berücksichtigt.

Die Details zu den jeweiligen Aspekten sind in den Unterkapiteln des Flügels: Schalenaufbau, Stegaufbau und Klappenanlenkung ausführlich beschrieben.

Aufbau der Flügelformen zum Fräsen

Nach der Detailaufbereitung des Flügels erfolgte die Aufbereitung der Flügelform zur Vorbereitung der Fräsvorgaben.

Dazu wurden für jede Seite, ausgehend von den Profildaten, eine obere und eine untere Solid-Form aufgebaut. Dabei wurde sichergestellt, dass eine saubere Trennebene entsteht in dem im positiven Modell bewusst eine Schleifrinne vorgesehen ist, welche in der anschliessenden Abformung der negativen Form überschliffen werden kann.

Zur Vereinfachung der nachträglichen Rudertrennung werden die Konturen mit einem Kegelfräser in die Form eingebracht. - Ansatz von Willhelm übernommen :-)

Die weissen Auflagen am Rand dienen als Freistellung zum nachträglichen einbringen von Holzkeilen während der Formtrennung. Die Aufnahme der Führungselemente (Flügelverbinder, Stecker, Torsionsstifte, Ballast) an der Wurzelrippe wird bewusst als separates Teil ausgeführt, dass die Fräsabläufe einfach bleiben und eine optimale Passung sichergestellt ist.

Vorbereitete positive Flügelform zum Abformen

Die Details zu den positiven Flügelformen sind im Kapitel Werkzeugbau detailliert beschrieben.

Rumpf in CAD optimiert

Die iterativen Optimierungen hatten auch Einfluss auf die Modellierung des Rumpfes im CAD. Als Erstes wurde das Wurzelprofil an das gewählte des Flügels angepasst. Ebenso wurde die Aufnahme des Flügels etwas verändert und die Freistellung der Wölbklappen fertigungstechnisch optimiert. 

Optimierter Profilübergang in den Rumpf mit Freistellung der Flügelauflage

Der Vorschlag von Jan, den Abziehkonus nicht schräg sondern gerade auszuführen habe ich nun auch berücksichtigt und dazu gleich noch die Nase um 2 cm verlängert. Die Leitwerksaufnahme wurde vereinfacht und die Abdeckung der Öffnung zum Einhängen der Kugelköpfe am Leitwerk nicht mehr als Bürzel ausgeführt.

Beim Aufbau der Kontur wurde auch noch das Rumpfboot optimiert zur einfacheren Herstellung. Dabei wurde die Aufblastechnik bereits vorgesehen.

Die Details der realisierten Verbesserungen und die Konstruktion des Rumpfes sind auf der Website luzi-2.ch im Kapitel Rumpf detailliert beschrieben.

Aufbau des Flügels im CAD

Nachdem die Flügelgeometrie in der FLZ-Vortex-Simulation und der Profilstrack in XFLR5  für das Modell optimiert wurde, war es nun an der Zeit auch den Aufbau ins CAD zu übernehmen.

Zuerst wurde die Geometrie des Flügels als Liniengerüst aufgebaut, auf dem an den Stützstellen die Ebenen für die jeweiligen Profile aufgesetzt wurde. Die Profildaten aus XFLR5 wurden mittels Excel auf die entsprechende Profiltiefe umgerechnet und als Textfile abgespeichert, welches mittels SolidWorlks-Makro als Profilwolke eingelesen werden konnte.

Nasen- und Endleiste wurde entsprechend als 3D-Skizze erstellt indem die jeweiligen Profilendpunkte miteinander verbunden wurde. Darauf wurde die Profile aufgezogen und ausgetragen zu einem Basiskörper, welche für die weitere Detailkonstruktion verwendet wird.

Flügel rechts von Luzi 2

Die Details zum Aufbau des Flügels und der weiterfolgenden Konstruktionsdetails sind im Kapitel Flügel und dessen Unterkapitel ausführlicher beschrieben.

Simulation mit FLZ_Vortex

Ursprünglich wurde das Projekt gestartet mit der Entwurfssimulation mittels FLZ_Vortex. Entsprechend sollten die Profile RG15 und HQ/DS 1.75-8 auf der Vorgegeben Geometrie aus der CAD-Zeichnung verglichen werden. In der Zwischenzeit wurde aber auch das XFLR5 Verifikation der Auslegung herangezogen.

Frank Ranis hat mit dem FLZ_Vortex ein hervorragendes Auslegungsinstrument bereitgestellt und mittlerweile auch viele weitere Hilfsfunktionen in der Software vereinigt. Die Hilfe und auch die Online- Dokumentation auf RC-Network sind sehr hilfreich in der Detailbeurteilung und stellen eine sinnvolle Simulation sicher.

Abbildung 338: Inverse Ellipse mit einer Wurzeltiefe l0 = 200 mm bei S = 10

Der Abschnitt Simulation wurde inhaltlich und durch die Vergleiche des Modells in unterschiedlichen Konfigurationen ergänzt. Entsprechend ist das Modell Luzi 2 gemäss den Dimensionen aus dem CAD, aus dem berechneten 3-fach Trapez-Ersatzflügel, als optimierter Ellipsenform und zuletzt mit dem berechneten rechteckigen Ersatzflügel verglichen worden. Weiter wurde der Einfluss der unterschiedlichen Profile in der Simulation geprüft.

Die Details dieser Untersuchung sind inklusive Vergleichstabelle und FLZ-Vortex-Modelle im Kapitel Simulation beschrieben.

Re-Zahl angepasster Profilstrack

Meine ersten Versuche Profile an die lokale Re-Zahl anzupassen wurden nicht von einer Leistungssteigerung gekrönt. Trotzdem war ich davon überzeugt , dass hier noch ein Optimierungspotential liegt. Daher habe ich mich etwas vertiefter mit der Anleitung von XFLR5 auseinander gesetzt und konnte die integrierten Profil-Modifikationsfunktionen in einem zweiten Ansatz anwenden.

Die initialen Erkenntnisse aus den ersten Versuchen gingen in die richtige Richtung. Die Umsetzung der Profile erfolgte im zweiten Anlauf invers. Zuerst wurde die Flügeltiefe und die Profildicke aus der Flügelgeometrie berücksichtigt und anschliessend die Profilkontur anhand des modifizierten Druckverlaufs in der inversen Profilentwicklung gerechnet.

Abbildung 376: Profil-Polare Typ 2 von Re-Zahl angepasstem Profil-Strack
Herausgekommen ist bei diesen Versuchen ein Profilstack, ausgehend von einem aufgedickten RL1PY1 auf ein ausgedünntes SD7003, der sowohl gegenüber dem Referenzprofil RG15 wie auch einem kontinuierlich eingesetzten RL1PY1 Leistungsvorteile zeigt.

Die Details zur Entwicklung des Profil-Stracks für Luzi 2 sind im Kapitel Re-Zahl angepasste Profile detailliert beschrieben und dokumentiert.