3D-Gedrucktes Flugzeug – Fragen zur Umsetzung und der Aerodynamik

Hallo an alle im Forum!

Ich habe mir ein großes Ziel gesetzt und möchte ein Modellflugzeug mit Hilfe eines 3D-Druckers drucken. Als 3D-Drucker verwende ich einen erweiterten Velleman K8200 mit PLA-Filament (und bald auch mit Dualextruder zur Erzeugung wasserlöslichen Stützmaterials).
Optisch soll es im Drohnen-Stil gehalten werden und funktionell ein Elektro-Segler sein.
Als optische Vorlage dient die Überwachungsdrohne „Luma“ vom Hersteller EMT oder die „MQ-1 Predator“ von General Atomics (Bilder im Anhang).
Dass ein Modellflugzeug mit PLA-Werkstoff 3D gedruckt werden kann zeigt das Projekt von Thingiverse (http://www.thingiverse.com/thing:56147) und die Fachhochschule Bingen hat auch eine Drohne mit ca. 2m Spannweite 3D-gedruckt (ich habe es vor kurzem auf einer Messe gesehen und konnte online leider nichts finden).
Als Spannweite würde ich ca. 1,2m annehmen, rumpflänge beliebig.

Meine Ziele:

• Eine flugfähige, 3D gedruckte Drohne berechnen, konstruieren, drucken und bauen.
• Eine eigene zentrale Elektronik mit einem ARM Cortex-M3 als zentraler Prozessor mit 9-Achs Lagesensor, GPS-Modul, Temperatur-/Feuchtigkeits-Sensor, Luftdrucksensor, usw.
• Die Fluglage elektronisch mittels PID-Reglern zu stabilisieren
• Telemetriedaten an eine selbst entwickeltes Empfängermodul mit integriertem Display senden (RX/TX) (und auf eine integrierte SD-Karte aufnehmen) und zugleich dadurch zusätzliche Steuerkanäle bereitstellen
• Aktiver oder automatischer Autopilot für Landungen umsetzen
• Einziehfahrwerk selbst konstruieren
• usw.

Wie man sieht, liegt mein Schwerpunkt eher auf der dazugehörigen Elektronik, die ich bis auf HF-Komponenten selber konstruieren möchte. Ob ich alle Punkte umsetzen werde/kann steht noch nicht fest.
Der große Vorteil eines 3D-gedruckten Flugzeuges besteht darin, dass die Einzelteile direkt aus dem Konstruktionsprogramm (SolidWorks) gedruckt werden können und dass Erweiterungen und komplexere Formen problemlos möglich sind.
Bei diesem Projekt liegt der Fokus vor allem darauf so viel wie möglich dazu zu lernen und daher möchte ich auch aerodynamische Berechnungen durchführen. (ich habe bereits ein interessantes Skript von der Hochschule München entdeckt: http://hakenesch.userweb.mwn.de/aerodynamik/skript_aero.pdf)

Mein Vorwissen:
Ich studiere Elektrotechnik an der technischen Universität in Wien und daher sollte die elektronische Umsetzung (bis auf die PID-Regler) für mich machbar sein.
Modellbautechnisch habe ich bereits Elektrosegler und auch eine Katana von SebArt (bis auf die Landungen) gut unter Kontrolle und Modellhubschrauber fliege ich grundlegend auch. Somit sollte das Fliegen, sofern die Flugeigenschaften des Modells gut sind, auch nicht das größte Problem sein!
In Sachen Eigenkonstruktion habe ich noch nicht viel Erfahrung und das möchte ich ändern.

Nun endlich zu meinen Fragen:
Was hält ihr vom Projekt? Ist es (objektiv) umsetzbar?
Wie viel aerodynamisches Wissen ist erforderlich, damit ich Flügelprofil, Winglets, Rumpfform, Ruderflächen, Leitwerke usw. dimensionieren kann? (grob rechnerisch dimensionieren und dann erproben) Und wie stelle ich das an? Gibt es auch Simulationsprogramme? Was seht ihr für Herausforderungen?

Ich danke bereits im Voraus fürs Durchlesen.
SG Florian

Dir ist bekannt, dass dein vorhaben bezüglich autopilot und eigenständiger landung in den Bereich Autonomes fliegen fällt, und damit mit einigen Gesetzen und Regelungen zu Autonomen Flugobjekten in Bedrängnis kommen könnte?!
Da würde ich mich auf jeden fall im vorfeld schlau machen ;-)

Gruß Max

Hallo Florian,

wenn Du was Neues entwickeln möchtest, dann wirst Du erproben und Änderungen vornehmen müssen. Ein üblicher Weg wäre z.B., die Technik in einem erprobten Träger einsatzreif zu machen. Parallel dazu eine Motor-/Zellenkombination zu entwickeln (2. Team), die für die Technik ideal ist und im dritten Schritt die Teilprojekte zusammenzubringen.

Wenn Du erst einen Plan machst, kannst Du sehen, wie viel Jahre Du für das Projekt brauchen willst, was das kostet, ob mit der geplanten Technik bzw. dem Material das Projekt machbar ist. Es lohnt sich auch immer ein Blick, ob nach Ablauf der Entwicklungszeit das Produkt nicht schon längst ein alter Hut ist.

Ich würde mir auf jeden Fall ansehen, welche Größe und welches Gewicht der Träger haben soll, ob das mit der PLA-Drucktechnik zu ereichen ist und ob die zu erwartenden Belastungen, speziell bei der automatischen Landung, vom Werkstoff ertragen werden.

Ich habe auch das Gefühl, dass es Vieles, was Du entwickeln möchtest schon längst gibt, nur eben nicht frei verkauft wird.

Gruß

Werner

Such mal hier im Forum. Es einer eine Spitfire gedruckt, die bei der ersten härteren Landung zerbröselt ist. Ich denke der Materialwahl sollte man hier etwas Aufmerksamkeit widmen.

Zum Thema Aerodynamik-Simulation:

FLZ-Vortex von Frank Ranis, hier im Forum aktiv.
XFLR 5

Profili
XFOIL

Servus Florian,

machbar - sicher. Sind allerdings mehrere Baustellen auf einmal, geballte Technik, aerodynamische Auslegung, Neuland was den 3D Druck betrifft.

Für die aerodynamische Auslegung kann ich http://www.flz-vortex.de/flz_vortex.html empfehlen, eine Nummer größer bei http://www.hanleyinnovations.com/multisurface/, noch eine Nummer größer auf eben dieser Seite nach "Stallion 3D" suchen.

Ich drucke auch 3D, hab mich allerdings noch nicht an ganze Flugzeuge herangewagt, nur an Zubehör. Aus meiner Sicht sollte dein Projekt druckbar sein, allerdings ist diese Technik bezüglich Festigkeit und Gewicht - die Zuladung wird ja einiges wiegen - nicht ideal. Eher würd ich Flächen konventionell bauen und nur den Rumpf drucken.


Grüße
Andi

Hallo Florian,

Du hast Dir ja viel vorgenommen. Ich wünsch Dir schon vorab viel Erfolg. Meiner Meinung nach ist das erste und größte Problem der 3D-Druck. Und das PLA so zu dimensionieren, daß Gewicht und Festigkeit auch ein flugfähiges Modell ermöglichen. Es haben ja schon einige gemacht, es ist also möglich aber wie im Detail, dazu denke ich braucht es etliche Versuche oder gute Informationen. Ich wollte mir auch schon mal aus dem Netz interessehalber eine Datei kaufen für einen flugfähigen Warbird, ca. 80 cm Spannweite, habe ich aber nicht gemacht, da mein 3D-Drucker auf 15x15x15 cm begrenzt ist und die Einzelteile ca 20 cm groß sind und scalieren wollte ich nicht.

Ich bin gespannt wie es weiter geht.

Liebe Grüße
Xare

Erstmal vielen Dank für die vielen Antworten!

@Max:
Vielen Dank für die Info! Eine elektronisch unterstützte Landung wäre nur ein Non*plus*ul*t*ra im Zusammenhang mit Regelalgorithmen und dem Zusammenspiel aller Sensoren und ich habe ja nicht vor das Flugmodell selbstständig fliegen zu lassen. Man kann es mit einem Elektrofahrrad vergleichen: solange man mittreten muss braucht man keinen Führerschein

@Werner:
Ich werde mit Technik und Flugzeug ca. gleichzeitig starten und wenn ich irgendwo die Geduld vorübergehend verliere, mich auf einen anderen Teil des Projektes zu fixieren.
Und was meinst du mit zweites Team? Ich habe mir vorgenommen alles selber zu machen
Eben und um Größe und Gewicht festlegen zu können muss ich die Grenzen der Aerodynamik für dieses Projekt kennen.
Natürlich gibt es die Komponenten, die ich entwickeln möchte bereits (militärisch und zivil), mein Ziel ist es jedoch mein gesamtes Wissen umzusetzen und zu erweitern, somit erfinde ich gerne das Rad neu!

@Markus:
Hast du vielleicht einen Link dazu?
Klar, das falsche Material kann zu großen Problemen führen, aber das muss zuerst ausgetestet werden. Ich werde auch nicht nur 3D gedruckte Teile nehmen, sondern z.B. zur Stabilisierung der Tragflächen auch Carbonrohre verwenden.
Vielen Dank für die Links, ich werde sie mir ansehen!

@Andi:
Ja, es gibt da einiges zu tun! Vor allem der 3D-Drucke und die PID-Regler haben es in sich...
Das erste Programm scheint sehr hilfreich zu sein, die anderen beiden leider nicht, da ich als Student nicht mehrere tausend Euro in ein Simulationsprogramm investieren möchte! Da tue ich mir lieber die Arbeit an und dimensioniere das Ganze auf dem Papier! Ist das möglich? An der Mathematik darf und sollte es nicht scheitern...
Welchen 3D-Drucker nutzt du denn? Einer muss es ja ausprobieren
Da ich keine Erfahrung und Materialien habe um Flächen selber zu bauen, werde ich es trotzdem versuchen, vorallem da der 3D-Druck ja besondere Möglichkeiten bietet (z.B. wabenförmige Hohlräume im Material oder direkt gedruckte Verstrebungen). Für die Zuladung sehe ich da kein Problem, die Sensoren sind meist nur wenige Millimeter groß und der Rest lässt sich auch miniaturisieren, somit rechne ich mit ca. 100g Zusatzlast.

@Xare:
Ja ich nehme mir immer sehr viel vor, aber es muss ja nicht in Monaten fertig werden, ich sehe es eher als Projekt, an dem ich immer wieder basteln kann, wenn ich Zeit habe
Dem stimme ich dir zu, der 3D-Druck wird eine Herausforderung, vor allem da ich keinen 5000€ Drucker mit perfekten Ergebnissen, sondern einen DIY Drucker mit Erweiterungen zur Verfügung habe, aber der große Vorteil ist, dass ich keine sehr kleinen Details drucken muss und somit sollte es mein Drucker gut bewerkstelligen können, sobald die Kinderkrankheiten ausgemerzt sind.
Mein Drucker schafft ca. 18x18x20 also ist das meine Begrenzung und natürlich werde ich mindestens 3 Teile pro Flügel benötigen und diese verbinden müssen.
Danke, aber bringe Geduld mit, die Fortschritte werden eher langsam sein, da mich mein Studium zeitlich sehr auslastet...

Florian:

Da tue ich mir lieber die Arbeit an und dimensioniere das Ganze auf dem Papier! Ist das möglich?

Zum Vergrößern anklicken....

Sicher. FLZ Vortex funktioniert tadellos.

Ich hab einen Zortrax M200. Der kann allerdings kein PLA, sondern ABS und ein paar andere Materialien. Leider kann er Wandstärken nur bis ca. 0,9mm runter. (Er druckt auch dünner, aber nur Innenstrukturen die er selbst anlegt, sprich alles was man selbst zeichnet muss min.0,9mm dick sein). Insofern nicht geeignet für Flügel, die würden wohl zu schwer.
Und ehrlich, für tragende Strukturen die halbwegs Lebensdauer haben sollen ist 3D Druck derzeit nicht erste Wahl. Zum Experimentieren, ok.

Grüße
Andi

Hallo Andi,

gut, dann werde ich mir das Programm etwas genauer ansehen!
Ich kann bis zu 0,3mm klein drucken, aber so kleine Wandstärken sind wohl in diesem Fall eher ungeeignet.
Wenn man stark beanspruchte Teile mit anderen Materialien unterstützt sollte der Werkstoff deutlich besser sein, das muss ich aber zuerst austesten ob die Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht gut ist ...

Über Vortex wurde auch hier im Forum schon recht viel geschrieben, auch ein Thread mit Anleitungen seines Schöpfers.

Der Vorteil beim Drucken ist schon, dass man ausgefeilte Strukturen ganz leicht hinbekommt. Grundlegendes Problem ist m.M.n. die Stabilität der einzelnen Lagen, die ja übereinander gedruckt werden. Entlang dieser Lagen kann man ein Teil recht leicht brechen, entlang der Fasern selbst ist es schön stabil.
Also ein Flügel, der mit der Wurzelrippe auf dem Heizbett liegt und in Richtung Randbogen gedruckt wird, hat dieses Problem schon eingebaut. In jedem Fall würd ich da einen Holm vorsehen, etwa ein Kohlerohr, das nachträglich eingeschoben wird.

Grüße
Andi

Danke!

Da hast du recht, das könnte Probleme geben, muss ich ausprobieren und ein Kohlefaser-Rohr werde ich sowieso einschieben!

Wozu soll das denn gut sein. Außer, dass man dann sagen kann, dass man der erste ist der ein 3D gedrucktes Flugzeug gebaut hat, bringt das eigentlich nichts.
3D Druck ist nicht wirklich für den Bau von Modellflugzeugen geeignet, zumindest nicht für die Teile die am Ende in die Luft gehen sollen.

Es gibt viele Verschiedenen Methoden wie man ein tolles Fluggerät bauen kann, aber 3D Druck gehört echt nich dazu. Und wann man dann Kohlefaserrohre in die Konstruktion einstecken muss, dass man sie stabil bekommt, dann hat man das Modell ja letztenendes nicht flugfertig aus dem Drucker.

Für Einzelteile kann 3D Druck sinn machen, auch wenn man für eien Scaleflieger Details braucht, die es so nicht zu kaufen gibt. Ich beschäftige mich jetzt schon seit einigen Jahren mit den Möglichkeiten von 3D Druck und denke, dass ich mich ganz gut damit auskenne und weiß, was man damit anstellen kann. Komplette Flügel und Rümpfe zu drucken bringt nichts, weil es einfach zu teuer kommt, man verbraucht da mehr Stützmaterial als das eigentliche Material für das Flugzeug und am Ende muss doch wieder Rippen und Spanten einsetzen umd das Konstrukt stabil zu bekommen.
Was auch Sinn macht wären 3D gedruckte Formen mit denen mal komplizierte Teile laminieren kann. Wobei man auch hier mit Handarbeit auf einfachere Weise zu guten Ergebnissen kommt. Gerade mit den Schnürleslegern muss man die Teile nach dem Druck noch sehr aufwendig machbearbeiten, damit man schöne Oberflächen bekommt, da macht der 3D Druck oft keinen Sinn mehr.

Überlegt euch sieber mal Strategien wie man das fliegende Verpackungsmaterial aus der Luft bekommt, damit der Luftraum über den Modellflugplätzen endlch wieder für die schönen handgefertigten Modellflugzeuge frei wird. Schöne aus Holz gebaute Modelle, mit Gewebe bespannt, das ist viel erstrbenswerter als eine fliegender Leukoplastbomber.

Gruß Matthias

Hallo Matthias!

Deine Aussagen wirken doch etwas negativ...
Mir ist klar, dass es befremdlich wirkt, wenn neue Technologien eingesetzt werden und es könnte auch so wirken, als ob jemand daher kommt und einen 3D-Drucker verwenden möchte, weil er keine Ahnung hat, wie man ein schönes Holzmodell baut! Und zugleich ist es auch nicht mehr das schöne Modellfliegen, wenn elektronische Systeme die eigentlichen Aufgaben des Piloten übernehmen und es dadurch so einfach wie ein Quadrocopter fliegbar ist!
Mir geht es eher um das Dazulernen bei diesem Projekt und den technischen Fortschritt neuer Technologien! Daher setze ich auch gerne andere Materialien zur zusätzlichen Stabilisierung ein, da es mir nicht darum geht, dass es zu 100% aus 3D gedrucktem PLA besteht. Und bei Kunstflugmodellen aus Holz werden auch Carbonrohre zur Stabilisierung eingeschoben

Die Oberflächen kann man ja glatt schleifen oder lackieren. Mit dem Stützmaterial hast du recht, das ist teuer, jedoch eine kluge Konstruktion benötigt auch kaum Stützmaterial.
Und ich behaupte mal, dass ein 3D gedrucktes Flugzeug mindestens gleich viel Arbeit gibt, wie ein aus Holz gebautes
Und PLA ist sogar noch biologisch abbaubar wie Holz

Hallo,

das drucken von Modellen ist problemlos und sinnvoll möglich:

http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/538284-Aircombat-in-3D-%28Druck%29

http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/562822-Eine-Spitfire-aus-dem-3D-Drucker-bewaffnet-mit-6S!-Das-Projekt-hat-begonnen

Über Geschmack läßt sich ja bekanntermaßen vortrefflich streiten. Was ich nicht mag ist früher-war-alles-besser-probiert-bloß-nichts-neues-aus-Getöse. Ich finde es gut wenn junge Menschen sich an neue Sachen wagen, auch wenn die Hürden zunächst hoch erscheinen. Immer wenn etwas neues kommt gibt es garantiert auch Nörgler, sei es z.B. bei den Quadrokoptern oder beim 3D-Druck. Selbst als damals die Wende zu 2.4Ghz kam gab es genug Leute die das verteufelt haben. Also Florian, lass dich nicht beirren, zieh durch, mach dein Ding, wenn es Leute wie dich nicht gäbe dann würden wir immer noch mit Tip-Anlagen und Spannlackodellen fliegen.

Gruß

Alex

Vielen Dank für die Links und deine unterstützenden Worte, hat mich sehr gefreut

Vorallem der zweite Link ist sehr nützlich und zeigt, dass es umsetzbar ist! Ich hoffe ich bekomme auch so gute Druckergebnise, wirklich beeindruckend!

Viel Erfolg bei deinem Projekt, du solltest aber ernsthaft darüber nachdenken mit ABS zu drucken, denn wenn du einen Flieger aus PLA das erste mal in der Sonne liegen lässt, wird nicht viel davon übrig bleiben.

Wandstärken sind auch so ein Thema... Ich würde nicht unter 3 Perimeter gehen, sonst bekommst du schon bei den kleinsten Schrägen ein Stabilitätsproblem. Wenn du eine 0,3er Düse hast, dann kannst du auf etwa 0,35mm Layerbreite runtergehen, was bei drei Perimeter, mit Überschneidung, etwa 1mm ergibt.

Gewicht sparen kann man mit dem Infill, entweder Infill im Sinn von 3D Rippen selbst direkt mitdesignen, oder 5% 3D Honeycomb verwenden.
Nicht vergessen, das Ding muss auch noch fliegen und Belastungen aushalten. Wenn man die letzten 5gr. gespart hat, es dafür aber die Kiste in der Luft zerbröselt hast dua auch nix davon...

Hallo Chris,

vielen Dank für deine Antwort! Da könntest du recht haben, PLA ist wirklich sehr hitzeempfindlich ... ich sollte diesbezüglich wirklich auf ABS umsteigen. Was hälst du von PETG?

Danke für den Tipp, unter einem mm hätte ich auch lieber nicht gedruckt!

Ob ich das Infill mitdesigne oder vom Slicer erstellen lasse muss ich zuerst noch austesten, aber danke für den Tipp
Da Hast du recht, es soll ja kein Ultraleichtflugzeug werden, sondern zuverlässig fliegen.

Mit PETG habe ich noch nicht gedruckt, daher kann ich dazu nichts sagen.

Ich würde 3d Rippen als Infill verwenden, so wie es bei den käuflichen Dogfightern zum selberdrucken auch verwendet wird, bedeutet halt einen enormen Konstruktionsaufwand. Dafür Festigkeit mit sehr wenig Gewicht.

PLAne3D schrieb:

PLA ist wirklich sehr hitzeempfindlich ... ich sollte diesbezüglich wirklich auf ABS umsteigen. Was hälst du von PETG?

Zum Vergrößern anklicken....

Gedruckt kann ich dazu nichts spezifisches sagen, aber was die generellen Materialeigenschaften angeht hätte ich mehr Vertrauen zu PETG.

Hallo,

ABS ist zu spröde für Flugmodelle, da du die Sachen in Single-Layer drucken mußt, sonst wird das zu schwer. Der Trick ist, das du bestimmte Stellenz.B die Klebestellen und Flächenaufnahmen in Double-Layer drucken mußt und den Rest als Single-Layer. Das geht meines wissens nur mit Simplify 3D. Ich hab mir das extra zum Fliegerdrucken gekauft. Ich denke es ist am besten du druckst zunächst mal so ein Modell von 3Dlabprint. Man lernt dabei enorm viel über Materialwahl, richtiges Slicing und und die Parametereinstellung. Generell ist das Drucken von den Fliegern schon ziemlich hohe Schule. Wenn du es hinbekommen hast z.B. so eine Spitfire flugfähig zu drucken bist du um viele Erfahrungen reicher.


Gruß

Alex