Konstruktion und Fertigung aus basaltfaserverstärktem Kunststoff

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Am Anfang des Jahres 2011 starteten Andreas Leibold und Maximilian Kreppold mit Hilfe von Incotelogy GmbH ein interessantes Projekt an der Universität Regensburg unter Betreuung von M. Eng. Marco Romano und Prof. Dr. -Ing. Ingo Ehrlich.

Thema des Projekte war: „Konstruktion und Fertigung eines Rumpfes aus basaltfaserverstärktem Kunststoff mit Einziehfahrwerk für einen Modellhubschrauber“ sowie  „Herstellung und Prüfung von Rotorblättern aus basaltfaserverstärktem Kunststoff für einen Modellhubschrauber“

Mit diesem Projekt sollte die Eignung der Basaltfaser zur Verwendung als Verstärkungsfaser in Faserverbundkunststoffen anhand eines Modell-Hubschrauberrumpfes nachgewiesen werden.

Durch umfangreiche Vorversuche wurde die Drapierbarkeit der verschiedenen Basaltgewebe getestet und der handwerkliche Umgang im Handlaminierenverfahren materialsparend untersucht und abgesichert. Dadurch konnte bereits beim ersten Laminierdurchgang ein optisch einwandfreier und voll verwendungsfähiger Modell-Hubschrauberrumpf hergestellt werden.

Vorversuche zum Handlaminieren mit Basaltfasergeweben

Um aus den zur Verfügung stehenden Basaltfasergeweben das für die Herstellung des Hubschrauberrumpfes am besten geeignete Gewebe zu ermitteln, wurden aus den von der Firma Incotelogy GmbH zur Verfügung gestellten Geweben:


·         Köperbindung 2/2 mit 330 g/m2,
·         Köperbindung 1/3 360 g/m2,
·         Leinwandbindung 1/1 150 g/m2 und
·         Leinwandbindung 1/1 200 g/m2


Probekörper in zuvor angefertigten Negativformen durch Handlaminieren hergestellt. Verwendet
wurden das Harz L und der Härter L in einem Verhältnis von 100:40. Für jedes der
getesteten Gewebe wurde jeweils einer der beiden Probekörper ohne, der andere zusätzlich im
Vakuumpressverfahren ausgehärtet. Die Radien und Flächenübergänge der Probekörper entsprechen
der bei der Fertigung des Hubschrauberrumpfes zu fertigenden Geometrie.
Untersucht wurde die Drapierbarkeit der Gewebe (Abb. 1.1) sowie die erzielbare Oberflächenqualität
(Abb. 1.2) der Probekörper unter Verwendung einer, durch Abformen hergestellten GFK-Negativform
im Zusammenspiel mit der Herstellung durch Handlaminieren und Aushärtung der Bauteile mit und
ohne Vakuumpressverfahren.
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In Abhängigkeit von den Aushärteverfahren lassen sich unterschiedliche Abformergebnisse erzielen.
Alle unter dem Vakuumpressverfahren ausgehärteten Bauteile weisen lokale Abhebungen an den
Flächenübergängen auf (Abb. 1.3). An allen ohne Vakuumpressverfahren ausgehärteten Bauteilen
traten lokale Abhebungen des Gewebes im Bereich der 90° Übergänge auf (Abb. 1.4). Um diese
lokalen Abhebungen und damit eine Beeinträchtigung der Formhaltigkeit an den laminierten
Bauteilen zu vermeiden, müssen die Flächenübergänge vor dem Legen der ersten Gewebelage in der
Form mit einer Kupplungsschicht aus Harz und Baumwollflocken angefüllt werden. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse der Vorversuche ist in Tab. 1.1 dargestellt.
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Gewindeschneidversuche

Bei der Adaption des Rumpfes an den Modellhubschrauber sollen die Bauteile des Rumpfes durch
Verschrauben miteinander verbunden werden. Auch die Komponenten des Einziehfahrwerks sollen
ebenfalls durch Schrauben auf einer Fahrwerkstragplatte aus basaltfaserverstärktem Kunststoff
befestigt werden. Um dieses Verfahren abzusichern, wurde eine Reihe von Gewindeschneidversuchen durchgeführt. Die Versuche dienten zur Ermittlung der notwendigen Materialstärke des Hubschrauberrumpfes im Bereich der Verbindungsstellen. Untersucht wurde daher die Herstellung von Gewinden in mehrlagigen ebenen Platten. Diese wurden aus den zur Herstellung des Hubschrauberrumpfes ausgewählten Geweben hergestellt. Verwendet wurden Harz L und Härter L, sowie die Gewebe in Köperbindung 2/2 und Köperbindung 1/3. Es wurde von jedem Gewebe je eine
Platte aus zwei, drei, vier und fünf Lagen laminiert. Wie später auch der Hubschrauberrumpf, wurden
die Platten im Vakuumpressverfahren ausgehärtet. Das Bohren der Gewindekernlöcher und Schneiden der Gewinde erfolgte von Hand. Die Gewinde wurden mit einem HSSE Maschinengewindebohrer EMUGE Rekord 1B M 2,5 geschnitten (Abb. 2.1). Dieses Werkzeug ist aufgrund seiner Schneidgeometrie für Durchgangslöcher geeignet. Der kombinierte Anschnitt des Maschinengewindebohrers ermöglicht das Vor- und Fertigschneiden des Gewindes in einem Arbeitsgang. Zur Herstellung tragfähiger Gewinde M 2,5 in Basaltfaserverstärktem Kunststoff sind bei beiden untersuchten Geweben mindestens vier Gewebelagen und eine Plattendicke von 1,2 mm erforderlich. 
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Ergebnisse Rumpf

Die in den Vorversuchen gewonnenen Ergebnisse, Erfahrungen und Fertigkeiten wurden bei der
Fertigung des ersten Rumpfes erfolgreich mit sehr gutem Ergebnis umgesetzt. Bereits bei der
Herstellung des ersten Rumpfes entstand ein vollwertiges, brauchbares und auch optisch sehr gutes
Bauteil. Der in Abb. 3.1 und Abb. 3.2 dargestellte Rumpf wurde aus zwei Lagen Köperbindung 1/3
mit einem Flächengewicht von 360 g/m2 durch Handlaminieren gefertigt und im Vakuumpressverfahren ausgehärtet. Diese Gewebeart wurde aufgrund der in den Vorversuchen erzielten guten Arbeitsergebnisse ausgewählt. Das erste Modell in zweilagiger Ausführung hat ein Fertiggewicht von ca. 400 g. Ein weiterer leichterer Rumpf mit einlagigem Aufbau ist in Fertigung.

Desweiterem wurden Rotorblätter aus basaltfaserverstärktem Kunststoff  für
einen Modellhubschrauber hergestellt und getestet. Ziel war es, flugfähige Rotorblätter zu erhalten. Ein Rotorblatt auf kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff diente als Vorlage für Negativformen.
Mit Hilfe dieser selbstgebauten Formen entstanden mehrere Rotorblätter aus basaltfaserverstärktem Kunststoff. Zum Ende des Versuches werden die Rotorblätter auf einem selbst konstruierten Rotorblattprüfstand mechanisch geprüft.

Rotorblätter sind sehr hoch beanspruchte Bauteile eines Hubschraubers. Mit dieser
Versuch soll gezeigt werden, dass hochbelastete Bauteile aus basaltfaserverstärktem
Kunststoff hergestellt und eingesetzt werden können.
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Ergebnisse


Ergebnisse
Es wurden mehrere Rotorblätter aus basaltfaserverstärktem Kunststoff mit annähernd gleichem Gewicht und Schwerpunktslage hergestellt. Die Rotorblätter bestehen aus:
·         zwei Lagen Deckgewebe (Leinwandbindung, 200 g/m² Flächengewicht),
·         sechs Rovingschlaufen (13 μm Monofilament Durchmesser, 2400 tex lineare Dichte) im Inneren und
·         einem Kern aus Styrodur.

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Ausblick


Im Folgenden werden weitere Rotorblätter hergestellt. Zusätzlich wurde die Rotorblattkontur als CAD-Modell generiert, um eine Form aus Aluminum fräsen zu können. Mit Hilfe dieser Metallform können aus fertigungstechnischer Sicht qualitativ hochwertige Ergebnisse erziehlt werden. Nach Anlieferung der Bauteile des Rotorblattprüfstandes wird dieser aufgebaut und die Rotorblätter aus basaltfaserverstärktem Kunststoff mechanisch geprüft.
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