EIGENBAU

UNTER DRUCK

3-Meter-Segler selbst gedruckt, Teil 1

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Ein Segelflugzeug mit einer Spannweite von drei Metern ist in der heutigen Zeit keine Besonderheit mehr. Ich wollte auch keine neue Größenordnung anstreben, es waren andere Motive, die mich zur Entwicklung des 3-Meter-Seglers führten.

THOMAS FISCHER

Meine Motive

1. Mein bislang größtes Modell war der Nachbau einer Caravelle, ältere Kollegen werden das Flugzeug von Graupner aus den 70er-Jahren des letzten Jahrtausends vielleicht noch kennen. Durch den Maßstab 1,4:1 erreichte es eine Spannweite von nahezu 2,60 m. Ein noch größeres Motormodell sollte es nicht werden, daher entschied ich mich für ein motorisiertes Segelflugzeug.

2. Nachdem ich mit der Wabenbauweise eine Möglichkeit gefunden hatte, für 3D-Druck-Verhältnisse dennoch leicht und stabil entwerfen zu können, kribbelte es mir ein zweites Mal in den Fingern, ein Flugmodell komplett zu drucken.

3. Die Grenze des Möglichen im 3D-Druck zu finden, war schließlich mein letztes Motiv.

Weitere Überlegungen

Was den zweiten Punkt betraf, war ich mir allerdings von vornherein im Klaren, dass keine grundlegend leichteren Flügel als Ergebnis herauskommen würden: Denn bei meinem ersten Versuch, einen Flügel zu drucken, wies die Beplankung eine Dicke von 0,8 mm auf. Beim geplanten Segler wäre sie dreischichtig, d. h. zu den zweimal 0,4 mm jeweils innen und außen käme noch eine dazwischenliegende Wabenlage mit 0,6 mm hinzu, insgesamt also 1,4 mm. Aber, wie unter Punkt 3 beschrieben, ging es mir auch um die Erkundung des Machbaren. Das galt ebenso für die Spannweite, denn mit zunehmender Spannweite verstärken sich die Kräfte und Biegemomente. Das stellt höhere Anforderungen, besonders an die Klebestellen zwischen den einzelnen Flügelsegmenten.

Der Flügel

Zunächst ging es um die Auswahl des Profils. Wegen des dreischaligen Aufbaus der Beplankung musste ein möglichst dickes Profil zum Einsatz kommen, um das Oberflächen-Volumenverhältnis zu verbessern. Letztendlich versprach ich mir davon eine Optimierung der Flügelmasse. Flügel weisen leider im Gegensatz zu Rümpfen eine größere Oberfläche bezogen auf das umhüllte Volumen auf. Deshalb fällt die Massenbilanz für Flügel immer schlecht aus, da es die komplette Schale ist, die gedruckt wird. Bei meiner Profilsuche stieß ich dann auf das HQ 2.0/12-Profil mit einer Dicke von 12%.

Der Flügelgrundriss weist eine gerade Linie entlang der dicksten Profilstelle auf, die Flügeltiefe beträgt an der Wurzel 250 mm und außen 100 mm. Da ein 1 m langes, quadratisches 15×15-mm-Aluprofil zur Flügel-Steckung vorgesehen war, blieb mir wegen der Verjüngung des Profils nur übrig, den Flügel in der Mitte ohne V-Form zu belassen und ab etwa zwei Drittel der Spannweite die Außenflügel mit jeweils vier Grad V-Form anzusetzen.

Um sicher zu gehen, dass das Aluprofil später tatsächlich in die Flügel eingeschoben werden könnte, fertigte ich zunächst Probedrucke an, um das genaue Maß für dessen Aussparung zu bekommen. Die Steckung sollte leichtgängig, aber spielfrei in die Aussparung passen. Aus Stabilitätsgründen hätte ich es gerne um 45° gedreht eingesetzt, doch war dies wegen der zu geringen Flügeldicke nicht möglich. Nachdem die Frage der Steckung geklärt war, konnte ich mit der Konstruktion des Flügels beginnen. Ich entwarf zunächst zwei Holme:

Ein Hauptholm sollte dem Flügel in Längsrichtung zusätzliche Stabilität verleihen und gleichzeitig das Vierkantrohr zum Aufstecken der Flügel an den Rumpf aufnehmen. Zusätzlich wurde ein dünner Holm mit einer Stärke von 0,8 mm geplant. Das Kabel für das Querruderservo sollte möglichst geführt durch den Flügel verlaufen, deshalb legte ich ein Rohr mit 8 mm Innendurchmesser fest. Der zweite Holm brachte dazu die nötige Stütze.

In der Wurzelrippe sind im hinteren Bereich zwei zusätzliche Bohrungen vorgesehen. Um die Flügel sauber gegeneinander auszurichten, ist die gelb markierte Bohrung vorgesehen, hier wird ein im Rumpf verklebtes 4-mm-Messingrohr eingeführt. Die vordere, rot markierte Bohrung dient der Aufnahme des Verbindungshakens, um die Flügel im Rumpf gegeneinander zu verspannen. Dazu ist auf der Innenseite der Rippe die Aufnahme einer M3-Mutter vorgesehen, worin der Haken später verschraubt wird. Die Abbildung zeigt, wie die hinterlegte Mutter während des Einklebens vorn durch eine Schraube in die vorgesehene Aussparung gezogen wird.

Nachdem beide Holme und der Vollflügel entworfen waren, passte ich die Holme durch eine „Schnittmengen-Operation“ an den Flügel an. Dadurch fielen alle Bereiche weg, die außerhalb des Flügels lagen und die Passgenauigkeit war gegeben. Nach dem gleichen Prinzip entstand die Abschlussleiste, in die später die Ruderscharniere zum Anschlagen der Querruder eingesetzt werden würden.

Bei der Konstruktion der Außenkeulen ging ich anders vor: Eine Hälfte eines symmetrischen Flügelprofils ließ ich um dessen Mittellinie rotieren, so entstand der Rotationskörper. Nachdem die Keule passend an den Flügel angesetzt war, wurde der Flügel ausgespart. Damit die Keule druckbar wurde, ist sie in zwei Hälften geteilt, aus Gewichtsgründen zudem als Schale ausgelegt. Hier sind zudem noch weitere Besonderheiten zu erkennen. Die Querruder erhielten bereits die Fasen, damit sie sich gegen den Flügel bewegen können. Über einen kleinen Steg ließ ich sie mit dem Flügelabschnitt verbunden, so dass sie während des gesamten Drucks stabil genug gelagert waren. Nach dem Druck durchschnitt ich mit einem Messer diesen Steg.

Da alle Objekte ein sehr ungünstiges Verhältnis zwischen Auflagefläche und Höhe aufwiesen, sah ich zwei Raft-Schichten zur Vergrößerung der Haftfläche auf dem Druckbett vor. Im Prusa-Slicer lässt sich die Haftfläche so einrichten, dass auch sie problemlos mit einem Messer nachträglich entfernt werden kann. Oben muss auf jeden Fall bei „Stützstrukturen automatisch generieren“ ein Häkchen gesetzt werden, um Raft-Schichten zu aktivieren. Es reicht, wenn wie blau unterlegt, „2“ Schichten vorgegeben werden. Bei „Kontakt Z-Abstand“ ist wie blau markiert „0,2“ einzustellen. Die darunter aufgeführten Voreinstellungen sollten so belassen werden. Diese Raft-Schichten wendete ich beim Druck aller Flügelsegmente an. Für die Übergänge zwischen den Flügelabschnitten testete ich zwei Varianten, die erste war die bereits bei Rumpfspanten angewendete. Das weiße Segment zeigt den Zustand direkt nach dem Druck. Gut zu erkennen ist die durchgehende Wand, um den Aufbau der Rippe zu unterstützen. Der innenliegende 0,6 mm dicke Bereich wurde nachträglich ausgeschnitten, so wie es das obere Flügelsegment darstellt.

Alternativ wählte ich eine Feder, die in die gegenüberliegende Nut eingriff, hier nur noch im Entwurfsstadium zu sehen. Glücklicherweise setzte ich diesen Übergang nur einmal ein, denn die Haltbarkeit ließ zu wünschen übrig, die Feder brach beim Einsetzen überraschend schnell ab. Der Grund dafür war ein ganz einfacher: Da ich wegen des dreischaligen Wandaufbaus für das Innenleben nur eine 10%ige Filamenten-Füllung vorsah, blieben am Fuß der Feder auch nur geringe Übergangsflächen übrig. Zwar konnte ich die Klebung mit Epoxidharz und Microballons festigen, doch überzeugte es mich darin, bei der ersten Variante zu bleiben. Übrigens stellte sich bei der ersten Variante auch heraus, dass es gar nicht erforderlich ist, bei der überstehenden Struktur gefaste Außenkonturen vorzusehen. Die Passungen fielen auch wie oben zu sehen mit geraden Wänden sehr gut aus. Nacharbeiten waren lediglich dann erforderlich, wenn Filament-Reste an den Strukturen haften geblieben waren. Natürlich testete ich bei dem ersten Segment mit Aufnahme der Flächensteckung die Passung noch einmal aus, und tatsächlich: alles passte wie gewünscht.

Die Verklebung der Segmente nahm ich mit Epoxidharz vor, teilweise mit Microballons eingedickt, wenn Fugen überbrückt werden mussten. Während der Verklebung bewährten sich Gummiringe, um die Teile bis zur Aushärtung des Klebstoffes in Position zu halten. Um sicherzustellen, dass die Segmente tatsächlich fluchteten, setzte ich auf die Hinterkante zwei Holzbrettchen, gesichert durch eine Klammer.

Da ich mich während des Baus in der Phase des Wechsels von PLA zu PETG befand, sind die Segmente aus beiden Filament-Arten gedruckt. So konnte ich die Restbestände an PLA aufbrauchen, um komplett umsteigen zu können. Weil nur helle Farben zum Einsatz kamen, brauchte ich so schnell keine Verformungen zu befürchten. PLA weicht bereits bei Temperaturen ab 60°C auf, diese Temperaturen sind im Sommer bei dunklen Oberflächen schnell erreicht. PETG hingegen ist formstabil bis 80°C. Mir fiel allerdings auf, dass die Oberflächengüte bei PETG glatter ausfiel als bei PLA. Ein weiterer Grund, der mich in dem Filament-Wechsel bestärkte.

Die Querruder schlug ich mit selbst gedruckten Scharnieren (vgl. FMT 03/2021) an, die Aussparungen dafür wurden beim Entwurf und Druck der entsprechenden Flügelsegmente bereits berücksichtigt. Arretiert wurden die Scharniere wie üblich mit Zahnstochern und UHU hart. Die erste Idee, den über die gesamte Länge des Querruders mitgedruckten Steg als Scharnier zu benutzen, erwies sich als unbrauchbar. Der Steg war zu steif und brach bei Bewegung sehr schnell ab.

Druckversuche hatten gezeigt, dass meine beiden Drucker Mega und Chiron gleich gute Ergebnisse erbrachten, sodass ich teilweise parallel auf beiden Geräten Flügelsegmente drucken konnte. Ein Flügel ist in insgesamt sieben Segmente aufgeteilt, wobei ich von außen nach innen druckte. Schauen wir uns nun die zeitliche Bilanz an. Die Druckgeschwindigkeit hatte ich anfangs noch auf 50 mm/s eingestellt. Heute würde die Druckzeit kürzer ausfallen, da ich die Einstellung inzwischen ohne Qualitätseinbußen auf 60 mm/s erhöhen konnte.

Für einen Flügel ergibt sich damit eine Druckzeit von 134 Stunden und 40 Minuten, für den gesamten Flügel somit 269 Stunden und 20 Minuten oder 11 Tage, 5 Stunden und 20 Minuten stetigen Druckens; ein enormer Zeitraum!

Dagegen verging bei der Endmontage für das Verkleben der Segmente vergleichsweise wenig Zeit, wobei ich dem Aushärteprozess immer einen ganzen Tag gab. Das Servokabel zog ich vor Beginn des Klebevorgangs ein. Die Endmontage mit Lötarbeiten, Einbau der Servos und Anschlagen der Querruder beanspruchte schließlich nur noch wenige Stunden.

Während die Flügelhälften an Spannweite gewannen, fiel mir bereits die spürbar zunehmende Masse auf. Voll bestückt, bringt es nun der gesamte Flügel auf satte 1.960 Gramm. Überraschend kam das Ergebnis allerdings nicht, wie ich bereits eingangs dargestellt habe. Von einem Leichtgewicht kann man also weiß Gott nicht mehr sprechen. Ich überlegte zu diesem Zeitpunkt, ob ich nach einem gelungenen Erstflug die gedruckten Flügel durch balsabeplankte Styroporflügel ersetzen sollte. Hier ließe sich geschätzt rund 1 kg Masse einsparen.

Der Rumpf

Den Rumpf plante ich zunächst ausgehend von einem kreisförmigen Querschnitt vorn am Motor, über ein gleichmäßig stark abgerundetes Rechteck im Flügelbereich, bis hin zu einem oben geringen und unten stärker abgerundeten Rechteck am Heck. Die zweiteilig ausgelegte weiße Haube vorn und die hintere weiße Haube sollten abnehmbar gestaltet werden, Magnete übernehmen deren Sicherung. Im hinteren Bereich brauchte ich eine Zugangsmöglichkeit, um die Servokabel nach vorn in den Rumpf führen und um die Flügelhälften gegeneinander verspannen zu können, dafür also die zweite Haube. Das ebenfalls zweiteilige Seitenleitwerk erhielt auf dem Rumpf bereits einen Sockel mit Übergangsprofil wie bei den Flügelsegmenten. Mit Ausnahme der Rumpfspitze, die den Antriebsmotor aufnimmt, sind alle Rumpfteile wie der Flügel wieder dreischichtig in Wabenbauweise aufgebaut. Das Seitenleitwerk erhielt ebenfalls eine Abschlusskeule, die Verklebungen nahm ich sämtlich genauso wie bei den Rumpfsegmenten mit Epoxidharz, eingedickt durch Mikroballons vor. Bei der Rumpfhaube kam UHU hart zum Einsatz.

Der Einfachheit halber verzichtete ich bei den Rumpfsegmenten auf Übergangsprofile wie bei den Flügelsegmenten. Stattdessen setzte ich kleine Zapfen mit 10°-Schräge ein, die in entsprechende Aussparungen im nachfolgenden Rumpfsegment greifen. Somit ist auch hier eine eindeutige Ausrichtung gewährleistet. Leider neigt PETG bei solch kleinen Zapfen dazu, Klümpchen zu hinterlassen. Die Ausführung des Drucks führte mit diesem Filament leider zu schlechteren Ergebnissen als zuvor mit PLA. Als Folge davon wollten die Segmente nicht vollständig plan aufeinander liegen, eine Nachbearbeitung wurde erforderlich. Dies war allerdings recht einfach mit einer groben Rundfeile möglich. Zukünftig werde ich daher wieder auf die Zapfen verzichten und stattdessen die Übergangsprofile verwenden, selbst wenn sie einen größeren Entwurfs-Aufwand erfordern.

Vor dem Zusammenkleben setzte ich zunächst die Bowdenzüge ein. Beim Verkleben ging ich genauso vor, wie bei dem Flügel. Durch den Einsatz von Gummiringen werden die Segmente zusammengespannt. Um sicher zu gehen, dass der Rumpf genau fluchtete, unterstützte ich seitlich mit Holzleisten. Entgegen meiner ersten Idee, das Höhenleitwerk ebenfalls zu drucken, entschied ich mich für ein aus Styropor geschnittenes Leitwerk, welches ich mit 1-mm-Balsaholz beplankte und schließlich mit Bügelfolie bespannte. Eine sehr gute Entscheidung, wie sich sehr bald herausstellen sollte.

Nachdem der Rumpf komplett zusammengestellt, das Höhenleitwerk eingesetzt und die Ruder wie beim Flügel angeschlagen waren, testete ich zum ersten Mal die zu erwartende Lage des Schwerpunkts aus: Ich sah das Elend schon kommen, deshalb hatte ich die Servos von der vorn vorgesehenen Halterung bereits nach hinten gesetzt und die vorgesehene Halterung wieder herausgeschnitten, um den Akku bis direkt hinter den Motor vorschieben zu können. Der Erfolg dieser Maßnahme fiel äußerst dürftig aus. Es hätte mindestens 500 g Blei in der Rumpfspitze gebraucht, um den Schwerpunkt auf ein Drittel der Flügeltiefe zu bekommen. Ein Flugmodell mit so viel toter Masse in die Luft zu befördern, widerstrebte mir zutiefst, zumal die Flügelmasse ohnehin schon ordentlich ins Kontor schlug. Ein gedrucktes Höhenleitwerk hätte aufgrund des langen Hebelarms sicher ein weiteres Kilogramm Blei zum Ausgleich vorn im Rumpf erfordert. Dann wäre es wahrscheinlich einfacher gewesen, den Blei-Klotz direkt zum Fliegen zu bringen.

Nach einiger Überlegung und Blick auf die Seitenansicht des Rumpfes kam ich zu dem Schluss, eine Verlängerung nach vorn sollte zumindest die Menge der toten Zusatzlast verringern. Die seitliche Optik gab es noch her, die Rumpfspitze mit dem Motor um 100 mm nach vorn zu verlängern. Dazu musste ich allerdings die bereits angeklebte Rumpfspitze mit Motor wieder absägen. Um weitere Masse vorn zu gewinnen, druckte ich die beiden neuen Rumpfsegmente mit einer 100%-Füllung. Nun ergab sich aber das Problem, dass sich mit dem Absägen der alten Rumpfspitze eine ebene Fläche ohne Zentrierungsprofile oder -zapfen ergab. Deshalb befestigte ich die beiden neuen Segmente zusätzlich mit zwei zentrierenden Schrauben. Für das vorderste Segment konnte ich wieder Zapfen zur Zentrierung einsetzen.

Beim Bestücken der Rumpfspitze mit dem Motor half ich mir mit einem Stück Gewindestange aus. Diese schraubte ich in den Motor und hatte so eine Führung, um ein Befestigungsloch schneller zu finden. Nachdem die anderen drei Schrauben eingesetzt waren, ersetzte ich die Gewindestange. Nun stand dem Verkleben der neuen Rumpfspitze nichts mehr im Wege. Als Antriebs-Akku hatte ich zunächst einen vierzelligen LiPo eingeplant. Da der Segler nun mehr Masse als erwartet zusammenbringen würde, müsste auch der Antrieb mehr Leistung erbringen. Ich stellte fest, dass ein fünfzelliger Akku mit 3.300 mAh Kapazität ebenfalls noch direkt hinter dem Motor Platz fand. Mit all diesen Maßnahmen gelang es mir, die erforderliche Zusatzmasse an Blei auf 170 Gramm zu reduzieren, damit konnte ich sehr gut leben!

Insgesamt besteht der Rumpf aus acht einzelnen Druckaufträgen. Schauen wir uns dazu nun wieder die Bilanz des Drucks an. Auch hier erfolgte der Druck noch mit einer Geschwindigkeit von 50 mm/s. Da die Rumpfsegmente ein besseres Verhältnis zwischen Höhe und Auflagefläche aufwiesen, verzichtete ich auf Raft-Schichten. Der Druck erfolgte abermals parallel auf dem Chiron und dem Mega.

Die gesamte Druckzeit betrug 158 Std. und 35 Min. oder 6 Tage, 4 Std. und 35 Min. ständigen Druckens. Wie sah letztlich die Massenbilanz für den fertig bestückten Rumpf aus? Insgesamt bringt es der Rumpf auf rund 2.000 Gramm. Zusammen mit dem Flügel bleiben wir knapp unter der 4-kg-Grenze.

Bis hier her habe ich mich nun intensiv mit dem Bau auseinandergesetzt. Wie sich dieser 3-Meter-Segler in der Luft behauptet, darüber berichte ich im zweiten Teil dieses Artikels in der nächsten Ausgabe.