3D gedruckten Flügel mit Carbon verstärken

wersy

User
Hallo,

Wie man auf dem Video sehen kann, hat sich mein letztes Modell in der Luft zerlegt. Die Ursache lässt sich nicht nachvollziehen, da am Boden nur Kleinteile übrig waren, die durch die Spannschnüre schön beieinander blieben. Es flog auch zu hoch, um zu erkennen was passiert ist, es war nur ein Flattern zu hören.

https://www.youtube.com/watch?v=mUGuW6KuunY

Die insgesamt 10 Tragflächensegmente waren mit Carbonrohre gesteckt und nur mit dünnen aber festen Schnüren zusammengespannt, die in Röhren durch die gesamte Tragfläche verlaufen. Der ganze Flügel war deswegen auch etwas “weich”.

Als nächstes will ich wenigstens alle Teile einer Tragflächenhälfte verleimen und einen Belastungsflug machen lassen, um zu sehen, wo die Schwachstelle ist.

Wenn es dann wieder bricht, überlege ich, die Tragfläche mit Carboneinlagen zu verstärken.
Es bietet sich an, auf der Unterseite zwei Schlitze vorzusehen, in die man Carbonfasern einharzen könnte. Auf der Oberseite möchte ich aus optischen Gründen darauf verzichten. Das bedeutet, die Carbonstränge müssen also Zug- und Druckkräfte aufnehmen.
Es soll deswegen aber kein Flitzer werden, 80 km/h reichen mir vollkommen aus.

Die Spannweite beträgt 1510 mm und die Tragflächenbelastung beträgt 36 g/dm², also eher etwas, um zwischendurch auch mal zu gleiten. (Was man im Video nicht sieht, er war etwa eine Minute im Gleiten, als wir von einer Seite des Platzes zur anderen wechselten.

Könnt ihr mir bitte Tipps geben, wie groß die Schächte werden müssten und mit welchem Material ich das machen könnte?

Vielen Dank im Voraus.

P1030611_1100.jpg
 
Hi,

10 Segmente mit Stäbchen und Schnürchen ist wackelig wie eine Perlenkette - reicht für gemütlichen Flug aber nicht für die flottere Gangart.
Ich würde das grundsätzlich vernünftig verkleben. Dann wirst Du dich wundern, wie stabil das dann schon ist.

Dann würde ich einen ausreichend großen Holm für die Flächen ausdrucken, am besten in hoher Dichte und mit Waben Fillin. (heißt bei Simplify 3D Honeycomb)
Oder direkt im Flächendesign 2 oder mehr breite Stege vorsehen, die die Ober- und Unterschale des Flügels verbinden, das verhindert Torosionsflattern.

Die Flächenverbindung zusätzlich über eine vernünftige Steckung, die die Hauptkräfte aufnehmen kann, entweder steckbar oder direkt fest einkleben.
Wenn man das auch mit hoher Dichte und Wabenmuster macht, dann wird das sehr stabil.

Man kann selbst Balsaflieger so bauen, dass die sehr fest sind, dann geht das im 3D Druck erst recht. Wichtig ist halt alle belasteten Teile mit hoher Dichte zu drucken und ich bevorzuge mittlerweile Fillins im Honeycomb Muster. Das ergibt leichte aber dennoch feste Strukturen.

Klar kann man auch die Nummer mit den Carbon Flachprofilen in der Ober und Unterseite machen, die Depronfliegerbauer machen das ja auch schon lange. Viele Wege führen nach Rom.
Aber wenn Du das Teil selber konstruiert hast, kannst Du schon beim Druck sehr viele Verstärkungen einbauen
 

wersy

User
Struktur der Tragfläche

Struktur der Tragfläche

Vielen Dank für die ausführlichen Tipps.
Heute habe ich einen Bruchtest eines aus dem Absturz verbliebenen Flügelaußenteiles gemacht. Dazu legte ich es zur Hälfte über die Tischkante und drückte die andere Hälfte herunter. Ich war selbst sehr erstaunt, wie viel Kraft ich aufwenden musste, bis es schließlich durchbrach. Ich kann mir nicht vorstellen, dass auch nur ein Bruchteil dieser Belastung im Fluge auftritt.
Deswegen glaube ich auch, dass die Verklebung nun das Wichtigste ist.

Einen Holm mit Wabenfüllung würde zu viel wiegen. Und ja, Stege habe ich bereits drin. Sie sind 1 mm dick und verbinden Ober- und Unterschale. Mit einem Abstand von 30 mm sind es 7 Stege im Mittelteil und 4 Stege im Außenflügel. So ergeben sich sehr biegesteife Kästen. Zur Torsionssteifigkeit sind die abschließenden Rippen an den Stirnseiten sehr wichtig. Die wird geringer werden, denn nun drucken wir den 320 mm langen Außenflügel in einem Stück, da fehlt jetzt die Rippe in der Mitte. Die Schale ist 0,5 mm dick.
Hier sieht man die Struktur im Slicer:

Außenflügel

Stege Aussenflügel.jpg

Mittelflügel

Stege Mittelteil.jpg

Aus einem viergeteiltem Mittelstück und einem zweigeteiltem Außenflügel, werden nun zwei Teile plus Servosegment.

wing 300 mm 800.jpg

Mein ursprüngliches Ziel ist es, einen hundertprozentig gedruckten Flieger zu bauen. Gelungen ist es mir nur bei dem Brettnurflügel mit knapp 2 m Spannweite.
Hier ergibt sich die Stabilität aus versetzt zusammengeleimte Segmente.

Wing Plane 01.jpg

http://www.thingiverse.com/thing:453090

Wenn aber der 2,3 kg schwere Flieger so hart aufgesetzt wird, dass er anschließend noch 3 Meter nach oben prallt, verhält er sich eher wie ein “echtes” Flugzeug – es zerbricht.
Hier das Video der FMT auf der InterEx 2015: https://www.youtube.com/watch?v=EAaHncWUqNs

Da ich noch nicht weiß, wie stabil die verleimte Version sein wird, wäre ich dankbar, wenn ich vorab schon mal Tipps bekomme, wie man es mit in Schlitzen eingebettetem Carbon machen könnte.
 
Ok,

da sieht man jetzt ja mehr...
Sieht eigentlich gut aus. Dann führe ich das Zerlegen mal darauf zurück, dass die Steck-und Schnürchenmethode nicht genug Halt bietet...somit verkleben und dann haben alle Segmente eine feste Verbindung.

Mit den Carbon Flachprofilen macht es meiner Meinung nach nur dann Sinn, wenn die hochkant in der Ober- und Unterschale versenkt sind. Es müssen ja Kräfte in beiden Richtungen abgefangen werden.
Macht aber meiner Meinung nach in diesem Fall keinen Sinn. Die Profile sind meist 5 mm hoch und müssen ja Halt haben, dafür sind die Dicken des Flügels mit 0,5 mm zu gering. Ausserdem müssen die durchgängig über die gesamte Fläche sein, auch das dürfte in Deinem gepfeilten Flügel ein Problem sein.

Die Pappendeckelflieger (Schaum) würden jetzt einfach über die komplette Ober- und Unterseite des Flügels ein fettes Panzertape aufkleben und so die Kräfte abfangen. Aber das ist in dem Fall auch nicht ganz so zielführend ;)

Ich würde das erst mal verkleben und denke, dass es dann ausreichend stabil ist.

Ich habe mal das Video von der InterEx angeschaut, da scheint der Flügel direkt am Rumpf sauber abgebrochen zu sein.
Das hätte man mit einer vernünftigen Steckungsrohr evtl. verhindern können. Direkt am Rumpf ist die Belastung bei solchen Patzern am größten und da muss es stabil sein.
 
Wenn wirklich Flattern die Ursache war (was ich mir bei der zusammengespannten Bauweise sehr wohl vorstellen kann), ist die effektivste Verstärkung ein Netz von diagonal über die oberfläche gespannten Rovings (à la Dissergewebe)
 

ddrums

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Verstärkung

Verstärkung

Da ja in den flügelsegmenten schon Rohre vorgesehen sind, wäre es dann nicht eine Variante hier durchgehend ein kohlerohr einzustecken? Wenn du 100% gedruckt haben möchtest, würde ich den Holm in Form eines Doppel-T Trägers als ein Stück drucken und dieses dann mit den Segmenten verkleben.

Gruß
Daniel
 
Zum Flatterbruch, so wie vermutlich beim letzten Flug, kommt es meist, wenn die Diagonalsteifigkeit der Fläche zu gering ist.
Ein eingesteckter Kohleholm ist da nicht wirklich zielführend. Wenn Du das aber trotzdem testen willst, dann musst Du Dich einfach nach der Dimension des Carbonstabes richten. Diese gibt es in den unterschiedlichsten Querschnitten. Da würden eigentlich ein in die Oberschale und ein in die Unterschale eingelassener Rechteckstab von ca 2x5-7mm reichen. Diesen Stab kann man auch im Bogen verlegen, so dass die Flächenpfeilung nicht das Problem sein sollte.
Allerdings würde ich das Problem eher durch eine diagonale Rippenstruktur lösen wollen. Die Teilbarkeit der Konstruktion ist eigentlich ein Transport freundlicher Ansatz. Wenn Du dabei bleiben willst, dann verwende keine Schnüre zur inneren Verspannung , sondern schiebe doch einfach Carbonrohre in die Flächensegmente. Diese kannst Du dann durch entsprechende Klemmvorrichtungen so fixieren, dass man das Modell schnell auf und ab bauen kann.
Auf jeden Fall weiter so.
Ich drücke Dir die Daumen.
 

shoggun

User gesperrt
würde ich den Holm in Form eines Doppel-T Trägers als ein Stück drucken und dieses dann mit den Segmenten verkleben.

Wenn man sich den Querschnitt der Fläche ansieht, sind da bereits mehrere Doppel-T Holme vorhanden.
Bei moderater Flugweise würde ich behaupten, dass das Material die Zug und Druckkräfte problemlos aufnehmen kann.
Ich würde hier auch eher die Torsion als Ursache für das Flattern ansehen.
Wäre es denn z.B. möglich, im D-Box Bereich die "Beplankung" mit, an der Innenseite, diagonal verlaufenden, aufgesetzten Stegen zu versehen?
 

steve

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Hallo,
sehr interessantes Projekt.

Wegen dem Cfk-Stab, bzw. Holm würde ich mit dem Durchmesser des Rohres an das Maximum der Profildicke gehen. Die Rohrwandung dann so dünn wie möglich. Neben der besseren Biegung sollte die Konstruktion auch etwas besser mit den Torsionskräften klar kommen.
R&G hat eine ziemlich breite Palette an solchen cfk-Rohren.

Mal ein Beispiel: cfk-Rohr 17mm Aussendurchmesser, Wandstärke 0,5mm, Gewicht 23g bei einer Länge von 600mm.

So ein Rohr verwende ich an einem dicken Scorpion 5030 als Fernwelle bei ca. 5-8kw und 16.000rpm - Länge der Welle 400mm ohne Zwischenlager.

VG
 

shoggun

User gesperrt
Ein Rohr ist nicht gerade geeignet um Torsionslasten (wie sie natürlich auch bei einer Fernwelle auftreten..) aufzunehmen, es sei denn es ist ein gewickeltes?
Für Biegekräfte ist es auch nicht optimal, da nur der (geringe) Faseranteil welcher sich in der Schale/ Beplankung befindet effektiv auf Zug/Druck belastet wird...
 
Das Rohr soll ja auch keine Torsionslast auf nehmen, das macht der Flügel selber, wenn er ordentlich konstruiert ist. Das Rohr soll nur die Schnüre ersetzen, mit denen die einzelnen Flächensegmente bisher zusammen gehalten wurden.
 
so könnte man den Flügel sinnvollerweise konstruieren. Wenn man dann noch entsprechende Klips einbaut um die einzelnen Flächensegmente zusammen zu fügen und das ganze mit einem Carbonrohr zusammenhält, dann könnte da was daraus werden.
Zeichnung1gedruckte Fläche.PNG
 

wersy

User
Erst einmal ein Dankeschön an alle, die mir bei meinem Problem so engagiert helfen, zumal vieles für mich neu ist.
Als ich vor 3 Jahren anfing meinen ersten Motorsegler zu drucken, hatte ich null Ahnung vom ferngesteuerten Modellflug. Meine ganze "Erfahrung" beruhte lediglich auf den Bau eines Fesselflugzeuges - als Schüler...


@ Stein Elektronik
Ich dachte eher daran, Carbonschnüre einzuharzen. Rechteckprofile kann ich schlecht verwenden, da es nicht nur einen Knick aufgrund der Pfeilung gibt, der hintere Holm knickt zusätzlich nach oben wegen der Verwindung von 4,5°.
Der erforderliche Schlitz ist kein Problem, den kann ich mitdrucken, wie auf dem Bild zu sehen.

Carbonschlitz.jpg

Der Schlitz ist 3 x 4 mm. Der kann auch auf beiden Seiten noch eine Nut haben, damit die Einlage fixiert ist. Natürlich ist eine Verstärkung nur unten auch nur die halbe Miete, und eigentlich möchte ich darauf verzichten können.

Der “Red Swan” hatte schon etliche Flüge hinter sich, die wesentlich rasanter geflogen wurden: https://www.youtube.com/watch?v=nOk2-1Ne3AA

Das sieht man besser auf dem Video, das die Kamera an Bord aufgenommen hat: https://www.youtube.com/watch?v=FHDhLBsC3_M

Auch erkennt man, dass über die Hälfte gesegelt wurde. Deswegen auch der lange Hals um keinen Gramm Ballast zu brauchen.
Wenn ihn alle so behutsam wie Marcel aufsetzen würden, könnte ich ihn noch leichter bauen ;)

Eine Steckung in der Mitte bietet sich bei dieser Konstruktion nicht an. Es ist eine durchgehend verleimte Einheit, die durch Nut und Feder und versetzten Segmenten ihre Stabilität erreicht:

Konstruktionsprinzip 1100.jpg


Natürlich hätte ich die mittleren Segmente dicker drucken können, dann wäre aber sicherlich mehr gebrochen. So brauchte ich nur zwei Segmente austauschen. Mit wenig Aufwand ließen sich die kaputten Teile an den Klebestellen ablösen. Als Leim hatte ich 2 Komponenten Epoxy Kleber verwendet, der das Material nicht anlöst, aber zumindest ausreichend haftet.

Mein derzeitiger Plan ist, jede Flügelhälfte zu verkleben, bis auf die Randbögen. Die stecke ich auf die eingeklebten Rohre und verschraube sie von außen mit M3 Nylonschrauben.
Die Steckung der beiden Hälften will ich mit Gummibändern zusammenhalten. Dazu klebe ich jeweils vorn und hinten eine Platte unter den Flügel, in die eine Schraube geklebt wird. Die Schrauben ragen mit ihren Köpfen etwas hervor, so dass man sie Gummibändern zusammenspannen kann. Die Platten passen genau in den Ausschnitt des Rumpfes und dienen somit gleichzeitig zur Zentrierung der Tragfläche.

Zentierung vorn.jpg

@MarkusN
Ja, die Optik ist mir sehr wichtig. Wenn es schon gedruckt ist, soll es auch danach aussehen.
Und wenn schon Fremdmaterial erforderlich ist, dann so wenig wie möglich. Andernfalls würde ich gleich “richtige” Modelle bauen, die dann auch viel leistungsfähiger sind.
Das eigentlich Motto ist: Drucken und fliegen, ohne dass man noch viel dran basteln muss.

@ddrums
Durchgehende Kohlerohre lassen sich wegen der Knicke aus Pfeilung und Verwindung leider nicht einsetzen.
Zusätzlicher gedruckte Profile lassen sich nicht einbringen, da die Segmente an den Stirnseite verschlossen sind. Diese Scheiben sind gleichzeitig die wenigen Rippen, die die Torsion aufnehmen müssen und nicht geschwächt werden sollen. Außer dass das sicherlich schwierig zu verleimen ist, würden es die Tragfläche noch schwerer machen.

@opflettner
Ich bin mir nicht sicher, ob das Flattern die Ursache war. Wir haben die ganze Zeit (trotz “Perlenkette-Methode) kein Flattern hören können. Ich vermute eher, dass etwas versagt hat, dass dann zum Flattern führte. Es flatterte nur kurz, und dann fiel es runter wie ein Stein.
Wegen der Knicke (auch in vertikaler Richtung) lassen sich auch Rechteckprofile schlecht verwenden.

Diagonale Rippenstruktur
Meine Konstruktion ist so ausgelegt, dass jede Druckebene (0,3 mm) in einem durchgehenden Zug gedruckt werden kann. Die Bahnen der Stege (0,5 mm dick) werden von der Unterseite ausgehend, zur Oberseite gezogen. Von dort laufen sie wieder zur Unterseite und ergeben so einen Steg von 1 mm Dicke. Dabei entstehen an der Unterseite jeweils kleine Sicken. An der Oberseite jedoch, wird die Bahn kontinuierlich entlang gezogen, wodurch eine glatte Oberfläche entsteht. Zu erkennen ist es auf den Bilder vom Slicer (weiter oben).
Würde ich in dieser Weise Diagonalrippen drucken, würde auch die Oberseite Sicken bekommen. Diagonalrippen müssen in engen Abstand gesetzt werden, sonst entstehen Dellen in der Außenhülle. Aus Gewichtsgründen dann auch nur als hohle Rippen.
Dieses Konzept stellt sehr hohe Ansprüche an den Drucker, denn nun kann er nicht in einem Zuge drucken, sondern muss von Rippe zu Rippe hüpfen. Dabei darf die Düse nicht nachtropfen und muss nach der Leerfahrt absolut sauber weiterdrucken können. Außerdem erhöht das stark die Druckzeit, 50% entfällt nun auf reine Leerfahrten.

Klemmverbindungen lassen sich mit dem Druckmaterial nicht machen, da es nicht stabil genug ist, Kräfte in kleine Massen einzuleiten. Das müssten dann große Verankerungsteile werden, die das Ganze noch schwerer machen.

Und danke für’s Daumendrücken, das kann ich gut gebrauchen!
Denn wenn ich es überhaupt noch rechtzeitig fertig bekomme, will ich den Test erst auf der InterEX in Genf machen lassen. Aber erst am zweiten Tag, und dann in sicherer Entfernung zu den Zuschauern – möglichst niedrig, damit man besser abschätzen kann, wo er runterkommt...

@steve
Richtig dicke Rohre wären am besten, aber wie ich erwähnte, kann ich hier durchgehende Verstärkungen leider nicht einsetzen.
 

wersy

User
so könnte man den Flügel sinnvollerweise konstruieren. Wenn man dann noch entsprechende Klips einbaut um die einzelnen Flächensegmente zusammen zu fügen und das ganze mit einem Carbonrohr zusammenhält, dann könnte da was daraus werden.
Anhang anzeigen 1646458

Das Problem ist immer, ob es auch druckbar ist.
Zum Beispiel ergibt sich zwischen den diagonalen Spanten zu viel Zwischenraum. Ist der Abstand größer als 30 mm, entstehen Dellen in der Außenhaut. Das kommt vom Schrumpfprozess beim Drucken. Dadurch entstehen Zugspannungen zwischen den Stegen.
Um Gewicht zu sparen muss man sehen, dass man gerade nur so viel Stege einbaut, dass keinen Beulen entstehen. Verglichen mit parallel verlaufenden Stegen werden im Zickzack angeordnete Stege ca. 40% länger.

Gedruckte Klipse vermeide ich selbst bei Elektronikgehäusen. Sind sie stramm genug zum Einrasten, dann brechen sie bei nächster Gelegenheit. Sind sie lang und dafür aber elastischer, rasten sie nicht sicher ein. Außer, dass es ein zusätzlicher Aufwand ist, und drucktechnisch u.U. nicht realisierbar, sind sie nicht exakt, und bei weitem nicht stabil genug, um Tragflächen zu verbinden.
Das verwendete Material (PLA) ist für solche Anforderungen leider völlig unbrauchbar.
 

wersy

User
Senkrecht stehende Rechteckprofile lassen sich in großen Radien gut biegen.
Anhang anzeigen 1646511

Danke für die Zeichnung.
Hier kreuzen sich die Stege mit dem Kohlerohr und unterbrechen dabei die durchlaufenden Stege.
An diesen Kreuzungspunkten entstehen dann Sollbruchstellen.
Außerdem muss das Kohlerohr, wegen der Schränkung, nach außen hin nach oben verlaufen.
 
Meine Zeichnung sollte keine Handlungsanweisung sein, sondern nur ein Beispiel dafür, wie biegsam aufrecht stehende, dünne Carbonprofile sind. Das schien mir Dir bisher nicht bekannt zu sein, zumindest schien es mir, als ob Du das in Deine bisherigen Ueberlegungen nicht einbezogen hast.
 

wersy

User
Meine Zeichnung sollte keine Handlungsanweisung sein, sondern nur ein Beispiel dafür, wie biegsam aufrecht stehende, dünne Carbonprofile sind. Das schien mir Dir bisher nicht bekannt zu sein, zumindest schien es mir, als ob Du das in Deine bisherigen Ueberlegungen nicht einbezogen hast.

Danke, jetzt bekomme ich einen Eindruck wie flexibel in etwa Kohleprofile sind.
Leider jedoch nicht flexibel genug, den Holmen zu folgen. Die sind (nach vielen Testdrucken) auf Formstabilität und Steckungen millimetergenau ausgetüftelt.

Es bleibt wohl nur übrig, flexible Kohlestränge einzuharzen.
Hat das schon mal jemand gemacht?
 
Flexibilität von Kohelstäben

Flexibilität von Kohelstäben

Immer mal langsam mit den Pferden (oder so...);)

Einen Kohlestab 3x0,1mm kannst du (fast) um den kleinen Finger wickeln, bei 3x0,5mm sieht das schon ganz anders aus. Was ich sagen will: Du musst es ausprobieren.

Weiter ist zu beachten, dass bei einer Druckbeanspruchung ein Kohlestab leicht "ausbeult". Vielleicht liest hier ja ein junger Inginör-Student mit etwas Freizeit mit, der dir das mal eben schnell nebenher ausrechnet:D

LG
Hannes
 
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