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

[PLAne3D]

@Chris:
Das mit den 3D-Rippen ist eine gute Idee! Ist jedoch mit einem CAD-Programm sehr mühselig, aber machbar.

@Markus:
Dann sollte ich doch mit PETG experimentieren, obwohl es deutlich teurer ist, aber an dem darf es nicht scheitern.

@Alex:
Wie meinst du in single-Layer? Nur eine Schicht von 0,3mm drucken?
Also empfiehlst du auch eher PETG als Werkstoff? Ich habe bisher nur mit PLA gedruckt, daher wäre nicht viel verloren, wenn ich direkt auf PETG umsteige.
Ein Umstieg auf einen anderen Slicer hatte ich mir auch schon überlegt. Verwende momentan den opensource-Slicer "Slic3r", jedoch scheint mir der von dir empfohlene deutlich professioneller. (mein Drucker wird sogar unterstützt!)
Ob ich gleich das ganze Modell drucke ist fraglich, jedoch zur Kalibration und für Tests könnte ich wirklich zuerst mal ein vordesigntes Modell drucken...

 

[AlexB]

Hallo,

ich habe noch nicht mit PETG gedruckt, deshalb kann ich dazu nichts sagen. ABS habe ich probiert, das ist zu spröde, hab daraufhin die Konstrukteure angeschrieben und die haben zwingend zu PLA geraten. Ja, du mußt den Flieger weitestgehend in 0.4 Wandstärke drucken, das wird sonst zu schwer. Die Spitfire z.B wiegt auf die Art gute 500g. Wenn du Double-Layer druckst würdest du bei dem Flieger bei über 1kg landen, keine gute Idee... Allein so ein filigranes Teil ohne Warping so groß zu drucken ist nicht ganz ohne. Die Jobs dauern 8-12 Stunden. 5 Grad zu viel auf dem Bett und du hast unschöne Wellen im unteren Bereich, 5 Grad zu wenig und das Teil löst sich ab und du erhältst keine geraden Klebekanten. Lad dir mal so eine Datei runter und experimentier ein bisschen und schau dir die Youtube-Videos von den Jungs sorgfältig an. Du darfst z.B. nicht mit Kühlung drucken etc. So sieht das dann aus:





nur die Flächensteckungen und die Klebekanten sind doppelt, sonst alles 0.4er Wandstärke
Das sind im übrigen meine ersten Versuche. Inzwischen sehen meine Drucke besser aus:





Gruß

Alex

 

[PLAne3D]

Hallo Alex,

hattest du keine Probleme mit der Temperaturbeständigkeit von PLA?
Das ist wirklich sehr dünn, aber die Festigkeit bringt ja die Stützkonstruktion im Inneren... sind diese Wandstärken wirklich stabil genug? Die Jungs von der FH Bingen hatten deutlich dickere Wandstärken!
Zu schwer darf es natürlich nicht werden ...
Das mit der sehr starken Temperaturempfindlichkeit gegenüber des Heizbettes habe ich auch schon oft mitbekommen.
Ich werde sowieso zuerst reichlich experimentieren müssen.
Aber so ein fertig druckbares File herunter zu laden (kaufen) wäre alleine wegen der Konstruktionsmethoden interessant!

Der 3D-Druck und das Modell sieht wirklich sehr schön aus!
Für die ersten Versuche bereits relativ gut gelungen!

 

[PLAne3D]

Ich habe nun intensiver recherchiert und es gibt folgende Updates:

Als Slicer verwende ich nun Simplify3D und die Druckergebnisse sind beeindruckend besser! (hätte nie gedacht, dass die Software einen so deutlichen Unterschied in der Qualität ausmacht)
Zur nummerischen Simulation der Aerodynamik verwende ich das SolidWorks interne Flow Simulation Tool. Das Userinterface ist viel besser, mehr Optionen und ich muss nicht alles neu zeichnen.


Nun habe ich aber noch ein paar grundsätzliche Fragen zum Auftrieb:
Soll die Auftriebskraft der Tragfläche den gleichen Betrag haben wie die Gewichtskraft (Auftrieb gleich Gewicht)? Oder geht man von einem bestimmten Anstellwinkel aus und lässt dann den Antrieb die restliche Kraft aufbringen (quasi wie bei einem Drachen, nur übernimmt das "Ziehen" dann der Motor)?
Welches Profil ist für meine Anwendung geeignet? (halbsymmetrisches Profil, ein Profil mit flacher Unterseite oder ein anderes?)
Und wie lege ich es richtig aus, wie komme ich auf die Abmessungen?

 

[Gast_53593]

Hi
schreibe den wersy mal an der hat einige Erfahrungen und gibt diese auch weiter
ja und stöbere mal auch hier herein http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/395295-Nurflügel-aus-dem-3D-Drucker

Norbert

 

[PLAne3D]

Hallo Norbert!

Erfahrung mit 3D-Druck oder Aerodynamik?
Danke für den Link!

 

[ruvy]

Vielleicht kannst Du dir hier auch ein paar Ideen holen:

http://www.thingiverse.com/thing:1117576

Der Autor hat auch och andere/ähnliche Modelle dort veröffentlicht.

lg
Rudi

 

[PLAne3D]

Hallo Rudi,

vielen Dank für den Link!
Ich werde mich mit ihm in Kontakt setzen.


Aber wie macht ihr das Flügelprofil eures Flugzeugs, wenn ihr eines selber konstruiert?

 

[wersy]

Hier gibt es jede Menge Speziallisten

Hier gibt es jede Menge Speziallisten

Hallo Rudi,

vielen Dank für den Link!
Ich werde mich mit ihm in Kontakt setzen.


Aber wie macht ihr das Flügelprofil eures Flugzeugs, wenn ihr eines selber konstruiert?

Lese Dir mal den Link, den Dir Norbert gegeben hat aufmerksam durch: http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/395295-Nurflügel-aus-dem-3D-Drucker

Nach längeren Diskussionen hat man sich auf das ClarkYS Profil geeinigt.
Das passte zu meiner Geometrie ausgezeichnet und flog auf Anhieb perfekt - sogar noch mit auf fast 2 m vergrößerter Spannweite.
Dieses Profil habe ich auch für die kleine Version genommen.

Die Pfeilung und Wurzelprofiltiefe für meinen neuesten Nürflügler mussten sich nach den maximal möglichen Druckgrößen meines kleinen Druckers richten. Daraus sind die Umrisse entstanden.
Die Auslegung der Profile und die Verwindung hat diesmal Florin Rösch für mich ausgetüftelt.

Du siehst also, man muss sich nicht unbedingt mit Aerodynamik auskennen - es gibt hier jede Menge hilfsbereite Speziallisten.
Am besten, Du erstellt den Entwurf gleich in Vortex, dann machst Du es ihnen wesentlich einfacher.

 

[PLAne3D]

Hallo Wersy,

vielen Dank für deine Antwort!

Gut dann werde ich es mir genauer durchlesen, sobald ich dazu komme!

Das Profil ist schon mal ein guter Ansatz, stehen die Gründe für die Entscheidung in dem verlinkten Thread?
Klingt schon mal sehr gut.

Ist Florin Rösch auch hier in diesem Forum?

Klar, man müsste ich nicht alles selber machen, aber ich MÖCHTE den aerodynamischen Part auch selber machen um davon zu lernen und es zu verstehen damit ich künftige Flugmodelle selber konstruieren kann! (bin in der Sache sehr wissbegierig und ehrgeizig, mir fehlen nur noch die Wissens-Quellen )
Ja ich könnte es zusätzlich in Vortex auch noch machen, aber mein Hauptaugenmerk liegt auf dem professionelleren SolidWorks.
Und ich möchte es nicht zwingend nach dem Try-and-Error Prinzio machen, sondern etwas wissenschaftlicher ran gehen...

Ist etwas kompliziert mit mir, aber mein Ziel ist es ein Flugmodell komplett selber zu konstruieren, vom Design über die Aerodynamik bis hin zur Avionik!

Nun habe ich aber noch ein paar grundsätzliche Fragen zum Auftrieb:
Soll die Auftriebskraft der Tragfläche den gleichen Betrag haben wie die Gewichtskraft (Auftrieb gleich Gewicht)? Oder geht man von einem bestimmten Anstellwinkel aus und lässt dann den Antrieb die restliche Kraft aufbringen (quasi wie bei einem Drachen, nur übernimmt das "Ziehen" dann der Motor)?
Welches Profil ist für meine Anwendung geeignet? (halbsymmetrisches Profil, ein Profil mit flacher Unterseite oder ein anderes?)
Und wie lege ich es richtig aus, wie komme ich auf die Abmessungen?

Daher eben meine konkreten Fragen die ich momentan zum Weiterkommen benötige und ich hoffe ich finde jemanden der sich da gut auskennt, oder jemand der eine passende Literaturquelle oder ähnliches kennt oder ein anderes Forum in dem meine Fragen beantwortet werden können ...

LG
Florian

 

[Naitsabes]

Ich würd von einem Parameter ausgehen, etwa der Geschwindigkeit. Angenommen, du planst eine Reisegeschwindigkeit von 80km/h. Bei dieser Geschwindigkeit muss der Auftrieb gleich dem Gewicht sein. Dazu notwendig ist ein gewisser Anstellwinkel, und um die ganze Fuhre in diesem Zustand zu halten ist eine gewisse Energiemenge notwendig.
Ob Solidworks da das richtige Programm ist? Soviel ich weiß ist es ein Konstruktionsprogramm.

Grüße
Andi

 

[PLAne3D]

Hallo Andi,

aber Auftrieb sollte doch ohne Anstellwinkel gleich groß wie die Gewichtskraft sein, um es weder steigend noch sinkend in der Luft zu halten und der Anstellwinkel wird nur zum Sinken/Steigen benötigt, stimmt das so?

Also wenn ich die Tragfläche so dimensioniere, dass das Flugzeug ohne Anstellwinkel weder steigt noch sinkt (wie z.B. bei einem Passagierflugzeug), müsste die Theorie stimmen?

Ja SolidWorks ist primär ein Konstruktionsprogramm, aber es hat zahlreiche Addins und eben auch ein Simulations Tool für Fluide und man kann sich auch jegliche Kraft berechnen lassen und die Strömung animieren! Wieso sollte ich da auf FLZ Vortex umsteigen? Ist etwa so wie wenn man Photoshop mit Paint vergleicht. (nichts gegen den Entwickler, das Programm bleibt eine programmiertechnische Meisterleistung! )

LG
Florian

 

[MarkusN]

Oi. Ein paar sonderbare Vorstellungen.

Im stationären, unbeschleunigten Flug ist der Auftrieb immer genau gleich der Gewichtskraft (sonst wärs nicht unbeschleunigt).

Auftrieb hängt im Quadrat ab von der Geschwindigkeit, und linear vom Anstellwinkel (im nutzbaren Anstellwinkelbereich). D.h. Anstellwinkel und Geschwindigkeit müssen so geregelt werden, dass sich der korrekte Auftrieb einstellt. Dafür sorgt die Trimmung des Höhenruders. Ein stabil ausgewogenes Flugzeug (mit dem Schwerpunkt am richtigen Ort) regelt das von selbst. Ist der Anstellwinkel zu klein, geht die Nase runter, das Flugzeug wird schneller, der Auftrieb steigt, bis er wieder zum Gewicht passt. Gefällt dem Piloten dieser Sinkflug nicht, gibt er Gas, bis das Flugzeug horizontal fliegt. (evtl. fummelt er auch an Trimmung und Höhenruder. Sauber gilt aber: Trimmung wählt die Geschwindigkeit vor, Gasstellung regelt Steigen oder Sinken.)

Das Profil hat einen bestimmten Nullauftriebswinkel. Bei diesem Anstellwinkel ist der Auftrieb (staun!) null. Bei positiv gewölbten Profilen ist er negativ, d.h. Das Profil liefert beim (geometrischen) Anstellwinkel 0 schon Auftrieb. Dieser geometrische Anstellwinkel 0 hat aber kein Vorzugsstellung. Der Flügel wird so angestellt, dass es zur geflogenen Geschwindigkeit passt, und fertig. Jetzt kann man noch den EINstellwinkel optiemiren, d.h dafür sorgen, dass bei der normalerweise geflogenen Geschwindigkeit der Rumpf möglichst strömungsgünstig angestellt ist. Das Profil wählt man so, dass es im angestrebten Geschwindigkeits und Flächenbelastungsbereich günstige Widerstandseigenschaften hat. (Langsam und schwer -> hoch gewölbt, schnell und leicht -> wenig gewölbt, soll auf dem Rücken so gut wie auf dem Bauch -> symmetrisch.)

Zieh dir mal das hiesige Wiki zu Aerodynamik rein. Da steht schon einiges.


Noch zu SolidWorks: Mit der Fluidsimulation ist es nicht getan, wenn das Programm bei der Auslegung eines stabil fliegenden Flugzeugs nicht helfen kann. Das wird sonst eine elende Probiererei. Vielleicht kess es das ja, aber einfach mal Geometrie definieren, Anstellen, und dann schauen, wie es strömt, reicht nicht. Ehrlich gesagt zielt Deine Fragestellung oben aber genau in diese Richtung.

 

[Viper2097]

Weil Solid Works nicht unbedingt dafür ausgelegt ist, fluide sind etwas anderes als Luft. Vorallem da Luft komprimierbar ist.
Aber versuchen kannst du es ja wenn du willst.

Du würdest dich wundern mit welch gewaltigem Anstellwinkel Passagierflugzeuge auf Reisehöhe unterwegs sind...

Ich habe respekt vor deinem ambitionierten Unternehmen, aber es scheint mir doch als hättest du in dem ganzen Bereich recht wenig Erfahrung. Das heißt in Folge dass du noch vor ganz anderen, rudimentären, Problemen stehen wirst. Wenn jemand ein Auto aus dem nichts bauen will, dann fängt er auch nicht damit an die Pleulgeometrie festzulegen sondern wird einen bekannten, funktionierenden Motor mal in seine Karosserie einbauen, oder seinen eigenen Motor in eine bekannte, funktionierende Karosserie. Vielleicht solltest du so ein wenig umdenken...

 

[MarkusN]

Weil Solid Works nicht unbedingt dafür ausgelegt ist, fluide sind etwas anderes als Luft. Vorallem da Luft komprimierbar ist.

DAS ist jetzt nicht unbedingt das Argument. (Luft wird strömungstechnisch übrigens auch ein Fluid genannt.) Die DS-Flieger stossen so langsam in Geschwindigkeitsbereiche vor, wo Kompressibilität ein Thema wird. Wir Fussvolk-Modellflieger müssen uns damit normalerweise nicht herumschlagen.

Die Frage ist eher, ob SolidWorks einen Werkzeugkasten hat, der bei den beim Flugzeugentwurf wichtigen Themen wie Auftriebsverteilung, Abreissvorgänge, Stabilitätsfragen unterstützen kann.

Vielleicht kess es das ja...

Welchem Fingerkrampf war das jetzt wieder geschuldet? 'KANN' natürlich. Auch die übrigen Typos in dem Post. Sorry.

 

[MarkusN]

Anhang anzeigen 1601123

Noch zu der Skizze: Gravierendes Missverständnis darin: Der Auftrieb ist definiert als die Kraft, die senkrecht zur Anströmrichtung wirkt; Widerstand parallel dazu. So werden die Kräfte im Polardiagramm aufgezeichnet. Der Auftrieb dreht sich nicht mit dem Anstellwinkel mit. Die am Flügelkoordinatensystem festen Kräfte kann man auch beschreiben, die heissen dann Normal- und Parallel(?)kraft. Ist aber nicht üblich, damit zu arbeiten. So unüblich, dass ich mich an die Begriffe für die Kräfte nicht sicher erinnern kann, obwohl ich mich oft mit aerodynamischen Problemen auseinandersetze.

Es gibt dann noch Korrektruren, die mit der endlichen Flügelstreckung zu tun haben, weil die die Anströmrichtung verdreht. Die werden mit induziertem Anstellwinkel und induziertem Widerstand berücksichtigt. Das ist dann schon höhere Schule, muss aber beim Flugzeugentwurf mit beachtet werden.

 

[PLAne3D]

Hallo Viper2097,

ich werde es mal probieren und kann dann immernoch demütig FlowSim aufgeben

Tatsächich? Wenn z.B. ein Becher am Boden des Flugzeugs liegt, bleibt er doch während des Fluges meistens auf der Stelle liegen und rollt nur ab und vor oder zurück? Oder irre ich mich

Naja guter Vergleich, aber was ist wenn man ein Auto konstruiert, das es so noch nicht gibt und dann sollte man von 0 anfangen! (Siehe Elon Musk)
Ist zwar ein härterer Weg, aber man lernt maximal aus den Fehlern. Und ja Erfahrung im Flugzeugbau habe ich nicht, aber die möchte ich eben durch dieses Projekt bekommen.

@MarkusN,

danke für deine technischen Antworten!

Genau, der Stationäre unbeschl. Betr. entspricht (1).

Danke für die Zusammenfassung, so ähnlich habe ich mir das virgestellt!

Aber zu Dimensionierung geht man von einer best. Durchschnittsgeschw. aus und dimensioniert den Auftrieb so, dass er wie Fall (1) ist, stimmt das?
Hilft mir sehr weiter, danke! Und das Profil selber optimiert man dann simmulatorisch so lange, bis der Auftrieb bei den gegebenen Verhältnisen optimal ist, oder kann man das auch durch Überlegen die Abmessungen ermitteln?

Wusste garnicht, dass es so ein Wiki gibt, werde es mir ansehen!

Und Geometrie definieren, anstellen, Kräfte ermitteln und Strömung anschauen dürfte doch reichen oder was fehlt da noch?
Aber z.B. der Strömungsabriss lässt sich sicher auch anhand der wirkenden Kräfte ermitteln, also kann man das auch selber berechnen.

Ja, da war ich mir nicht sicher, aber da es AUFtrieb heißt klingt es einleuchtend
Gut zu wissen!

Zu der endlichen Flügelstreckung komme ich in meinem Skriptun dann auch noch, mal sehen ob mir das was bringt, evtl. für die Wingtips...

 

[MarkusN]

Aber zu Dimensionierung geht man von einer best. Durchschnittsgeschw. aus und dimensioniert den Auftrieb so, dass er wie Fall (1) ist, stimmt das?
Hilft mir sehr weiter, danke! Und das Profil selber optimiert man dann simmulatorisch so lange, bis der Auftrieb bei den gegebenen Verhältnisen optimal ist, oder kann man das auch durch Überlegen die Abmessungen ermitteln?

Ja. Man beginnt in der Regel mit einem Standard-Betriebspunkt. Mit der bekannten oder angenommenen Flächenbelastung kann man von da ausgehend das Auslegungs-CA berechnen (mit welchem Auftriebsbeiwert muss mein Flügel im Betriebspunkt fliegen?) Damit hat man einen Ansatzpunkt für die Profilwahl: Das Profil soll an diesem Punkt einen möglichst niedrigen Widerstand haben. Jetzt heisst es Polaren studieren. (Das sind die Kennlinien, die die Leistungsdaten von Profilen beschreiben.) Normalerweise ist ein Flugzeug ja keine Ein-Punkt-Auslegung (Auch wenn das Beispiel Deiner Drohne ja wahrscheinlich einen ziemlich fixen Betriebspunkt für maximale Flugdauer oder auch Reichweite hat). Auch ein Drohne muss aber landen und starten, und das will man IDR bei möglichst geringer Geschwindigkeit. Man will also auch einen brauchbaren Höchstauftrieb, mit genügend Sicherheit gegen Strömungsabriss. Diese Eigenschaften kann man aus der Polare lesen.

Der Betriebspunkt muss nicht beim geometrischen Anstellwinkel 0 liegen. In der Regel wird er das auch nicht. Und zum Steigen willst Du nicht daurnd mehr Auftrieb als Gewicht. Dieser Betriebszustand heisst Looping, denn du hast dauernd eine Beschleunigung in Richtung Z+, d.h. die Flugbahn geht auf eine Kreisbahn... Steigflug ist also auch unbeschleunigt. Es ist lediglich so, dass ein Vortriebsüberschuss da ist. Der wird genutzt, um das Flugzeug auf einer noch oben geneigten Flugbahn zu halten, wo dann ja eine Komponente der Gewichtskraft entgegen der Flugrichtung wirkt, was vom Antrieb kompensiert werden muss.
Es gibt Kennzahlen, welche Flugzeugauslegungen und Betriebszustände besser steigen, welche besser gleiten oder weit fliegen, welche langsam landen können.
Die erste heisst Steigzahl. Steigen ist da optimal, wo CA^3/CW^2 maximal ist.
Die zweite ist Gleitzahl wo CA/CW maximal ist (technisch korrekt heisst das zwar Gleitverhältnis, Gleitzahl ist eigentlich der Kehrwert davon; der Begriff wird aber häufig Synonym zu Gleitverhältnis verwendet.)
Der dritte ist schlicht Höchstauftrieb; erreicht bei CAmax.
Wichtig ist dabei jeweils, dass CA und CW fürs Gesamtflugzeug betrachtet werden, nicht nur ca und cw des Profils.

Motorbetrieben hält sich die Optimiererei IDR in Grenzen: Man sucht ein Profil, das den nötigen Auftriebsbereich sicher abdeckt, gutmütige Abrisseigenschaften hat (da hilft Erfahrung anderer mit dem gleichen Profil mehr als Polarenlesen) und einen möglichst geringen Widerstand im Betriebspunkt hat. Dann beurteilt man die Profilform noch auf einfachen Bau, aber das ist bei 3D-Druck schon mal kein Thema.

Ach ja: Zum Becher im Verkehrsflugzeug: Das ist so, weil der Flügel eben einen relativ hohen EINstellwinkel hat. Also mit der Profilsehne deutlich nach oben geneigt im Verhältnis zu Rumpfachse eingebaut ist. Eben so, dass sein Betriebspunkt in Bezug auf die meist vorherrschende Flugaufgabe (IDR Reiseflug) optimal ist.

 

[PLAne3D]

Hallo Markus,

vielen Dank für deine ausfühliche Erklärung!
Dann werde ich so vorgehen.
Meine Drohne soll keine Scale-Eigenschaften haben und somit nicht immer mit konstanter Geschwindigkeit fliegen, es soll eher ein Elektro-Segler mit besonderem Aussehen und vielen Funktionen werden.
Dann lese ich mich da mal im Wiki ein!

Da muss ich mich noch besser einlesen um dir folgen zu können, aber soweit macht alles Sinn

Und die Abmessungen des Profils spielen doch auch noch eine große Rolle?

Macht ein erhöhter Einstellwinkel bei meinem Flugmodell Sinn?

LG
Florian

 

[MarkusN]

Und die Abmessungen des Profils spielen doch auch noch eine große Rolle?

Das Profil muss an die geflogenen Re-Zahlen angepasst sein. Solange Du aber im bereich üblicher Modellgrössen und -Gewichte bleibst ist das mit den Modellbauüblichen Profilen von 8..12% Dicke kein Problem.

Macht ein erhöhter Einstellwinkel bei meinem Flugmodell Sinn?

Einstellwinkel ist eine der letzten Grössen, die optimiert wird. Sieh einfach zu, dass Dein 3D-Modell da parametrierbar ist, dass Du das problemlos anpassen kannst.

(Auch deswegen ist es eben sinnvoll, mit einfacheren mathematischen Modellen anzufangen, statt gleich mit der Kanone "3D-Panelverfahren" auf den Spatz "Tragflügelauslegung" zu schiessen.)