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Die Herstellung des neuen Windkanal modells mit 3D-Drucktechnologie und dem mit Kohlestofffasern verstärkten Verbundwerkstoff

Zu den interessantesten und bedeutendsten Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt gehört zweifellos das, dank der Zusammenarbeit mit unseren Partnern entwickelte, neue Windkanalmodell des LEONARDO Kipprotors AW609, das von CRP Technology für die Leonardo Helicopter Division (Leonardo HD, früher unter dem Namen Agusta Westland bekannt) hergestellt wurde.

Mit diesem Projekt konnte CRP Technology einmal mehr die perfekte Kombination aus fortschrittlicher 3D-Drucktechnologie (Selektives Lasersintern) und den Hochleistungs-Verbundwerkstoffen Windform® hervorheben. Dank der Windform®-Materialien war es möglich, das Modell innerhalb kürzester Zeit mit hervorragenden Ergebnissen und außergewöhnlichen mechanischen und aerodynamischen Eigenschaften zu vervollständigen und im Windkanal zu testen.

Das Projekt betraf die Herstellung einiger Außenteile (Bug und Cockpit, Rumpf, Gondeln, externe Kraftstofftanks, Verkleidungen) des Windkanalmodells (Maßstab 1:8,5) für den Prototyp des neuen LEONARDO HD Kipprotors AW609, hergestellt mit Hilfe der Selektiven Lasersintertechnologie und dem mit Kohlestofffasern verstärkten Verbundwerkstoff Windform® XT 2.0, beide aus dem Haus CRP Technology.

Dieses Windkanalmodell wurde unter der Leitung der Leonardo Helicopter Division von Metaltech S.r.l. für eine Reihe von speziellen Windkanaltests bei niedrigen Geschwindigkeiten entwickelt, hergestellt und montiert.

Die Windkanaltests bei niedrigen Geschwindigkeiten sollten einen Standardbereich von Flugverhalten abdecken, die in der Windkanalanlage von Leonardo HD und dem Polytechnikum von Mailand für die hohen Winkel des Flugbereichs durchgeführt wurden. Während der verschiedenen Testsitzungen wurden verschiedene externe Geometrien geändert und überprüft, um alle aerodynamischen Parameter zu analysieren.

Zu den externen Hauptkomponenten, die neu entworfen und hergestellt wurden, gehören: Rumpf- und Bugkomponenten, Verkleidungen, Gondeln und Spinnerformen, Leitwerk, Tragflächen und Flaperons.

Ziele

Die Hauptziele der Leonardo Helicopter Division und damit die Gründe, warum sie auf CRP Technology gesetzt hat, waren im Wesentlichen die folgenden beiden Aspekte:

– Die Anforderungen eines sehr engen Zeitplans, aber mit einem Höchstmaß an Zuverlässigkeit und Zusammenarbeit bei der Herstellung der externen Teile für das Windkanalmodell.

– Die Untersuchung von Materialien mit ausgezeichneten mechanischen und aerodynamischen Eigenschaften für diese Komponenten, die normalerweise aus einem klassischen Verbundwerkstoff hergestellt worden wären.

– Entwurf und Herstellung einer inneren Hauptstruktur aus Aluminiumlegierung, die sich leicht mit neuen Geometrien für die zukünftigen Flugzeugversionen oder verbesserten Lösungen implementieren lässt.

Dieses Detail ist für die Tragfähigkeit der aufgebrachten Belastungen von grundlegender Bedeutung und daher nicht zu unterschätzen. Tatsächlich sind die aerodynamischen Belastungen durch den Wind im Kanal sehr hoch.

Der kritischste Aspekt des Projekts ist daher die Widerstandsfähigkeit gegen die Belastungen, aber auch die Notwendigkeit, bei einem Bauteil mit dermaßen großen Abmessungen die korrekten Toleranzen im Hinblick auf die Maße einzuhalten. Es ist wichtig, dass die Komponenten der Außenverkleidungen bei Belastung nicht zu stark durchbiegen.

Darüber hinaus muss das Produkt, auch wenn keine äußeren Belastungen vorhanden sind, unter Einhaltung der gelieferten Spezifikationen gewisse Merkmale in Bezug auf die Abmessungen aufweisen.

Es muss daran erinnert werden, dass die Leistung dieser Komponenten die endgültige Leistung des gesamten Projekts beeinflusst, vor allem weil die Außenverkleidungen die vom Rumpf erzeugten aerodynamischen Belastungen auf den inneren Rahmen übertragen müssen.

Planungsbedingungen

Um gewährleisten zu können, dass das Modell in der Lage ist, den in den verschiedenen Testphasen im Windkanal zu erwartenden Belastungen standzuhalten, wurden Spannungs- und Dehnungsberechnungen durchgeführt. Derartige Beurteilungen der Strukturfestigkeit wurden für alle kritischen Komponenten des Modells und die entsprechenden Belastungsbedingungen durchgeführt.

Die Hüllkurve der erwarteten Belastungsbedingungen des Modells, die durch eine Skalierung der Anfangs- und Endbezugszwerte erhalten wurde, ist von grundlegender Bedeutung, um die geforderte strukturelle Bewertung zu ermöglichen und einen endgültigen Entwurf der Modellkomponenten zu gestatten, der in der Lage ist, die volle Kompatibilität des Modells mit den Einschränkungen des Windkanals (z.B. Stützen) und der Ausrüstung (z.B. interne/externe Balance) zu gewährleisten.

Die Materialien der Modellkomponenten und die damit verbundenen Spannungseinschränkungen, Spannungskonzentrationen, Ermüdung usw. wurden während der Entwurfsphase diskutiert.

Fertigungstechnik des Modells

Die Technik für die Fertigung von Windkanalmodellen hat sich im Laufe der Jahre verändert. Traditionell wären derartige Komponenten mit einer klassischen Verbundwerkstofftechnologie hergestellt worden. Diese Technologie hat jedoch den Nachteil einer normalerweise ziemlich langen Fertigungsdauer.

Die ersten Windkanalmodelle von Leonardo HD wurden aus Holz- und Metallkomponenten hergestellt, später ging man auf eine Kombilösung aus Holz und Faserverbundwerkstoffen über.

Heutzutage werden alle Modelle mit dem CAD-CAM-Ansatz hergestellt. Ein innerer Strukturrahmen aus Aluminium- und Stahl wird gefräst und montiert, während alle externen Geometrien durch 3D-Druckverfahren erzielt werden.

Der fortschrittliche 3D-Druck in Kombination mit dem Material Windform® XT 2.0 hat Leonardo HD hingegen dank seiner äußerst kurzen Fertigungszeit und seiner leistungsstarken Funktionen sofort überzeugt.

Verfahren und Ergebnis

Die Arbeit von CRP Technology basierte von Anfang an auf der Maximierung und Erreichung der geforderten Ziele.

Die Arbeit begann mit einer eingehenden Analyse der von Leonardo HD erhaltenen Maßzeichnungen.

Dank der umfangreichen Erfahrung von CRP Technology auf diesem Gebiet und der detaillierten Kenntnis der Materialien und Technologien war es möglich, den Kunden bei der Auswahl der besten Verbundwerkstoffe zu unterstützen.

Die Wahl des Verbundwerkstoffs Windform® XT 2.0 war kein Zufall, alle von Leonardo HD geforderten Ziele wie z.B. die Bedeutung einer kurzen Fertigungszeit, gute mechanische Leistungen sowie gute Eigenschaften in Bezug auf die Abmessungen wurden berücksichtigt.

Windform® XT 2.0 ist ein bahnbrechender, mit Kohlestofffasern verstärkter Verbundwerkstoff für den 3D-Druck, der für seine mechanischen Eigenschaften bekannt ist und für viele Anwendungen, wie z.B. Windkanäle, aufgrund seiner hohen Formbeständigkeit bei Hitze (HDT = 173,40 °C; Prüfverfahren= ISO 75-2 TYP A), seiner außerordentlichen Steifigkeit und seiner erstklassigen Detailwiedergabe geschätzt wird.

Er ersetzt die bisherige Formel von Windform® XT in der Windform®-Familie der Verbundwerkstoffe: Windform® XT 2.0 zeichnet sich durch Verbesserungen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften aus, darunter eine Erhöhung der Zugfestigkeit um +8 %, des Zugmoduls um +22 % und der Bruchdehnung um +46 %.

Die erste Frage betraf die Abmessungen des Prototyps. Da einige Komponenten zu groß waren, um mit einem 3D-Drucker hergestellt werden zu können, war es notwendig, die einzelnen Teile gesondert herzustellen. Die langjährige Erfahrung und die eingehenden Kenntnisse der Mitarbeiter von CRP Technology im Hinblick auf dieses Verfahren haben die Durchführung von Analyse, Untersuchung und anschließender perfekter Umsetzung eines so komplexen Projekts ohne Verzögerung und ohne Probleme für den Kunden ermöglicht.

Von Anfang an hat sich die Arbeit auf den Entwurf der Komponenten konzentriert, mit einer korrekten Unterteilung der Teile, natürlich unter Berücksichtigung der Arbeitsbedingungen und der Belastungen, denen die Komponenten standhalten mussten.

Die Identifizierung der zu unterteilenden Teile erfolgte mit Hilfe von CAD, mit dem die Einschätzung des Arbeitsumfangs, aber auch die Möglichkeit, diesen Umfang zu optimieren und die Produktionszeit und -kosten zu minimieren, erfolgte.

Der CAD-Schnitt wurde mit einer speziellen Technik durchgeführt, um die Kontaktfläche an der Stelle, an der der Strukturkleber aufgetragen werden sollte, zu maximieren, wodurch auch bei sehr großen Teilen mit relativ geringer Stärke eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen jegliche Art von Beanspruchung gewährleistet ist.

Somit konnten die einzigartigen technischen Eigenschaften von Windform® XT 2.0 vollständig beibehalten werden.

Die Fertigungszeit der Einzelteile war wirklich kurz: Nur wenig mehr als ein Tag war nötig, um die Aufträge auf den 3D-Druckern einzurichten und nach nur 4 Fertigungstagen waren all die einzelnen Teile der Komponenten bereits tatsächlich hergestellt.

Verschiedene, streng vertrauliche Fähigkeiten, die ein integraler Bestandteil des spezifischen Know Hows von CRP Technology sind, führten zu einer die Verkürzung der Lieferzeiten und ermöglichten es CRP, die normalen Toleranzen dieser Technologie zu minimieren und sämtliche möglichen Problem im Hinblick auf Verformung oder Toleranzüberschreitung zu beseitigen.

Der letzte Schritt war die Fertigstellung der kompletten Oberfläche des Modells, die direkt auf der Riggbaugruppe montiert wurde, um kleine Unvollkommenheiten auszugleichen, die sich aus dem Zusammenbau der einzelnen Komponenten ergeben könnten. Auch dieser Schritt konnte dank des Know Hows von CRP – das streng vertraulich bleibt – in äußerst kurzer Zeit ausgeführt werden. Es musste lediglich die Oberfläche des gesamten Modells wirkungsvoll geglättet und mit einer speziellen Flüssigkeit behandelt werden, dank der das Modell wasserundurchlässig wird und die zu lackierende Fläche problemlos vorbereitet werden kann.

Alle Modellteile wurden dann dank einer speziellen Vorrichtung zusammengebaut und an die Struktur es Hauptmodells angepasst und von Metaltech S.r.l. montiert.

Das Endergebnis, das dem Zeitplan und den Eigenschaften des Teils entsprach, wurde schließlich in der Windkanalanlage von LEONARDO HD in Bresso (Mi) getestet.

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