Bericht

Tipps zum CAD-Entwurf von Rümpfen für den 3D-Druck

von Thomas Fischer

Bereits in meinem Buch „3D-Druck im Flugmodellbau“ (hier im Verlag für Technik und Handwerk erschienen), hatte ich zahlreiche Beispiele und Tipps für den Entwurf und Bau von Flugmodellen dargelegt, um sie anschließend drucken zu können. Seither beschäftige ich mich weiterhin mit dem Entwurf von druckbaren Rümpfen. Herausgekommen sind neue Ideen, um den Entwurf zu vereinfachen oder um praktischen Erfordernissen zu folgen. Diese stelle ich nun zusammengefasst noch einmal an meinem aktuellen Projekt „Fliegender Fisch“ vor. Zugrunde lag mir ein übrig gebliebener Flügel, der wieder zum Einsatz kommen sollte. 

Das ein oder andere mag bereits bekannt sein, sodass sowohl ein Anfänger wie auch Fortgeschrittener fündig werden dürfte. 

Grundsätzliches 

Bevor man sich an die Konstruktion eines Rumpfes macht, sollten folgende Punkte bekannt sein beziehungsweise bereitliegen: 

✓ Die ungefähr geplante Rumpfseiten- und -draufsicht

✓ Die Maße erforderlicher Einbauten: Servos, Akku, Motor, etc. 

✓ Flügel und Leitwerk sofern sie fertig vorliegen und eingepasst werden müssen ✓ Sofern das Leitwerk mitgedruckt werden soll, ist die Schwerpunktlage zu beachten. Ein Leitwerk aus Filament ist deutlich schwerer als eine Balsa- oder Styro-Balsa-Konstruktion. Will man unnötige Bleizugaben vorn vermeiden, erfordert das zum Ausgleich einen längeren Rumpf vor dem Schwerpunkt. 

✓ Der Grundaufbau eines Rumpfes hat abgesehen von Anbauten üblicherweise eine Symmetrieebene, die sich längs durch die Mitte des Rumpfes zieht (Abbildung 1 und 2). 

Weiterhin ist bei diesem Beispiel eine gleichmäßige Rumpfform ohne Ausformungen vom hinteren Bereich bis zur Motorhaube erkennbar. Solche Ausformungen können beispielsweise Kabinenhauben oder -wie bei der Motorverkleidung- seitliche Lüftungskanäle sein (Abbildung 3). Um die Konstruktion des Rumpfes zu vereinfachen, sollte man solche Ausformungen nachträglich integrieren bevor dem Bauteil die richtige Wanddicke zugeordnet wird. Das V-Leitwerk ist von außen an den Rumpf angesetzt. 

Der Rumpf ist in einzelne Segmente unterteilt (Abbildung 4). Deren maximale Länge ergibt sich aus der maximalen Höhe des Druckraums. Eine solche Aufteilung ist aber nicht immer zweckmäßig. In diesem Fall nahm ich die Unterteilung des Rumpfes so vor, dass 

➢ an der dicksten Stelle des Flügels der Flügel in den Rumpf eingeschoben werden konnte, da er bereits mit der Querruderanlenkung vollständig ausgerüstet war.

➢ ein Teil des Leitwerksansatzes zur Vergrößerung der
Letztlich erkennbar sind oberhalb und unterhalb des Flügels jeweils mittig geteilte Hauben. Darauf werde ich später noch gesondert eingehen. 

Sind alle gennannten Punkte geklärt, kann der Entwurf beginnen. 

Die obere und untere Linie wird durch einen Spline dargestellt. Bei einem Spline ist zu beachten: So wenig Stützpunkte wie möglich! 

Der Grund dafür liegt darin, dass ein Spline die energetisch günstigste Verbindung zwischen den Stützstellen darstellt. Je mehr Stützstellen vorgegeben werden, umso ungünstiger wird der Verlauf. Zudem wird es dann immer schwieriger, eine gleichbleibende Kontur manuell herbeizuführen. Die Radien sowie die Ausrichtung des Splines können ohnehin nachträglich noch an den Pfeilen an den Stützstellen verändert werden. In der Skizze 5 kann man im hinteren Ende noch zwei dieser Pfeile erkennen. 

Die beiden mittleren oberen und unteren Stützpunkte markieren den vorderen Rumpfabschluss zum Motor beziehungsweise die Flügelhinterkante. 

Wer genau hinschaut, wird feststellen, dass die Motorverkleidung vorn eine ganz andere Form hat als beim endgültigen Modell in der Abbildung 4. Darauf werde ich weiter unten noch eingehen.

Da ein Rumpf eine Symmetrieebene besitzt, nutzen wir diese aus, konstruieren nur eine Hälfte und setzen an den gewünschten Stellen Halbspanten (Abbildung 6). Hierbei ist es besonders wichtig, dass die oberen und unteren Punkte der Spanten exakt mit den Stützstellen der Seitenkonstruktion deckungsgleich sind. Sollte das nicht der Fall sein, folgt eine Fehlermeldung bei der Ausformung um das Ganze zu einem Körper zu extrudieren. Nach der Extrusion wird die Rumpfhälfte an der Spiegelebene gespiegelt und zu einem symmetrischen Körper ergänzt (Abbildung 7). 

Im nächsten Schritt geht es darum, exakte Spanten an den Schnittstellen zu erhalten. Dazu setze ich an den Schnittstellen Ebenen und zeichne dort einen genügend großen

rechteckigen Spant ein. Dieser Spant sitzt mittig genau auf der Schnittebene und hat die doppelte Dicke eines Spantes. Anschließend kombiniere ich den Spant mit dem Rumpf auf Gemeinsamkeit. Zurück bleibt ein exakt an den Rumpfverlauf angepasster Spant, der später wie erforderlich nachbearbeitet werden kann (Abbildung 8+9). Sobald alle Spanten erstellt sind, bekommt der Rumpf seine Wandung, in diesem Fall 2 mm. Erst dann wird er gemeinsam mit allen Spanten an den Schnittstellen segmentiert. Die Spanten erhalten dadurch genau die richtige Dicke an den gewünschten Positionen (die quaderförmigen Ursprungsspanten können natürlich auch verschoben an den Schnittstellen gesetzt werden, wenn die Spanten z. B. einseitig dicker sein sollen). Nach diesem Muster -grobe Schablone an die gewünschte Stelle gesetzt und auf Gemeinsamkeit kombiniert lässt sich jeder Einbau im Rumpf passgenau an die Außenkontur anpassen. 

Wer wie in diesem Fall auch das Leitwerk mitdrucken lassen möchte, sollte zunächst darauf achten, dass die Leitwerksgröße auch gemeinsam mit dem Rumpf druckbar ist. Andernfalls müssen sonst auch hierbei Schnitte zum Erhalt kleinerer Bauteile gesetzt werden. Dabei gilt, die Schnittkanten haben

✓ entsprechend passgenaue Verbindungen zuzulassen, um Verzüge zu vermeiden und

✓ die Flächen sollen auch genügend Klebefläche bieten.

Hier kann man ähnlich vorgehen wie bei der Anpassung der Spanten an den Schnittkanten, um adäquate Verbindungen in Verbindung mit genügend großen Klebeflächen zu schaffen (s. u.!).

Generell gilt aber bei gedruckten Leitwerken, dass die Aussparungen für die Ruderscharniere bereits vorzusehen sind. Gedruckte Bauteile lassen sich nachträglich nur schwer mit derart kleinen Aussparungen passgenau versehen (Abbildung 10).

Bei der Aussparung für den Flügel gibt es ebenfalls ein paar Aspekte zu beachten. Zunächst sollte man sich eine geeignete

Profillehre konstruieren, drucken, um vorab überprüfen zu können, ob es auch passend dem Wurzelprofil des Flügels entspricht. Die Maße der Profillehre können dann für den Flügelausschnitt im Rumpf weiterverwendet werden. Nichts ist ärgerlicher, als wenn nach stundenlangem Druck des Rumpfsegments die Aussparung zu klein ist, um den vorhandenen Flügel dort einfügen zu können.

Wie auf der Abbildung 11 zu sehen, wird das passende Flügelsegment genügend groß extrudiert, sodann an der gewünschten Stelle in den Rumpf eingepasst. Vorab jedoch eine Kopie des Flügelsegments vornehmen! Nachdem das Flügelsegment mit dem Rumpfsegment nun zu einem Körper kombiniert wurde, kann ein Rumpf-Flügelübergang als Verrundung problemlos geschaffen werden.

Im nächsten Schritt wird die Kopie passgenau über das Flügelsegment im Rumpf gelegt und subtrahiert. Subtrahiert werden muss es natürlich auch von den dort liegenden Spanten!

Für Zugang in den Rumpf schneide ich Hauben heraus, verschließe sie vorn und hinten mit einem Spant, in dem dann die Magnete aufgenommen werden, die für den nötigen Halt sorgen. Das Gleiche passiert dann an den Schrägen im Rumpf (Abbildung 12).

Hierbei kann ich in beiden Fällen die gleiche Skizze verwenden, da die Flächen aufeinanderliegen. Das gewährleistet gleichzeitig eine Deckungsgleichheit der Magnete. Etwas anders gehe ich bei den Spanten an den Schnittstellen vor. Mithilfe einer Skizze setze ich umlaufend eine Feder mit quadratischem Querschnitt auf den Spant und versehe sie anschließend mit einer Fase, sodass der Aufbau spitz zuläuft (Abbildung 13). Anschließend subtrahiere ich dieses Rumpfsegment vom nachfolgenden Segment. So entsteht auch dort eine passgenaue Nut am folgenden Spant. Für den Druck ist zu beachten, dass jeweils der Spant mit der Feder beim Druck oben liegt. Damit er sauber gedruckt werden kann, ist die mittlere Aussparung nicht komplett durchgehend, sondern es verbleibt hier eine Restdicke von 0,4 mm, die ich später mit einem Messer herausschneide. Umgekehrt kann bei dem folgenden Spant die Aussparung bestehen bleiben, da dieser Spant für den Druck auf dem Druckbett liegt (Abbildung 14). Gut zu sehen ist auf dem Rumpfende auch rechts oben die bereits vorgesehene Aussparung für den Bowdenzug. Generell empfiehlt es sich, solche Bohrungen schon beim Entwurf zu integrieren, denn sie nachträglich zu bohren, ist schwieriger und kann zu Brüchen in der Rumpfhaut führen.

Im Bereich des Motorspants bin ich anfangs so vorgegangen, dass ich den Motorbock zusammen mit dem ersten Rumpfstück gedruckt habe. Dabei berücksichtigte ich bereits Motorsturz und -zug. Damit ergaben sich zwei Probleme:

1. Im Falle, dass im Flugbetrieb dieser Motorbock brechen sollte, war eine Reparatur kaum durchführbar. Der gesamte vordere Druckbereich hätte erneuert werden müssen. 2. Dadurch, dass der Aufbau der Rumpfsegmente nach dem dargestellten Prinzip von Feder und Nut aufgebaut war, konnte dies an dem ersten Rumpfstück nicht durchgeführt werden, da vorn keine geeignete Auflagefläche vorhanden war, um den Druck von dort aus starten zu können. Ich musste daher das erste und zweite Rumpfsegment mit Bohrungen versehen, um sie darüber mit einer Verschraubung ausgerichtet verkleben zu können.

Die Lösung der beiden Probleme ist aber ganz einfach: Das erste Rumpfstück wird vorn flach gehalten. Damit ergibt sich immer eine Ebene für den Motorspant, von der aus der Druck starten kann. Diesem Motorspant kann sogar der Motorsturz mitgegeben werden. Diese Ebene erlaubt dann wie bei den anderen Übergängen zum zweiten Rumpfsegment, mit Feder und Nut zu arbeiten. Den Seitenzug kann man dann über die Platte, die zwischen Motor und Motorspant liegt, einarbeiten. Auf die Innenseite des Motorspants lege ich passende Bohrungen mit einer Sicherung für Muttern, um daran den Motorbock anschrauben zu können (Abbildung 15). Der Motorspant wird dazu nachträglich verdickt, um eine höhere Stabilität zu erreichen, denn er erhält natürlich zunächst die gleiche Dicke, die dem Rumpfbereich bei der Wandung zugeteilt wurde. Die gesicherten Muttern erhalten zusätzlich eine Verklebung mit Uhu hart.

Diese Vorgehensweise hat sich sehr bewährt. Vor allem dann, wenn die Schwerpunktlage wie bei dem fliegenden Fisch aufgrund des mitgedruckten Leitwerks im ersten Anlauf nur mit zusätzlichen 320 Gramm Blei und einem nach vorn verlängerten Motorträger zu erreichen waren. Der Fisch ähnelte eher einer bleiernen Ente und überstand den Erstflug nicht. So entschied ich mich für den zweiten Versuch, den Rumpfbereich der ersten beiden Segmente nachträglich durch Skalierung in Längsrichtung zu verlängern. Auch so hätte ich zwar wieder Blei im vorderen Motorbereich benötigt. Durch den universellen Motorspant konnte ich jedoch abermals einen verlängerten Motorbock anschrauben. Die Motorverkleidung musste allerdings entsprechend verlängert werden. Deshalb auch mein Hinweis zur Abbildung 5, dass die Seitenansicht nicht der aktuellen Rumpfform entspricht. Die dort angegebenen Maße stammen aus dem ersten Anlauf. Der neue Aufbau ist in Abbildung 16 zu erkennen. Damit gelang es mir, auf das Blei völlig verzichten zu können. Die beiden seitlichen Platten mit den Bohrungen zur Befestigung der Motorverkleidung dienen gleichzeitig auch der Ausrichtung der Verkleidung. In die Platten ist ein M3- Gewinde geschnitten, um die Verkleidung darin verschrauben zu können.

Verklebt werden alle Segmente mit Uhu hart. Er hat sich bei PLA und dem ausschließlich von mir verwendeten PETG sehr bewährt. Bislang ist bei keinem gedruckten Rumpf ein Bruch an einer Klebestelle aufgetreten, die Brüche entstehen davor oder dahinter.

Abschließend noch ein paar Worte zu den geteilten Hauben oberhalb und unterhalb des Rumpfes. Die untere Haube benötige ich, um das Querruderservo zugänglich zu halten, da es bereits auf der Flügelunterseite eingebaut war. Bei einem Einbau auf der Oberseite hätte ich darauf verzichten können. Die Hauben sind in der Mitte geteilt, um auch hier das Drucken zu vereinfachen. Die Flächen dienen als Auflage auf dem Druckbett und werden wie alle anderen Klebestellen behandelt.

Der Fliegende Fisch 2 

Das Verkleben der Rumpfsegmente einschließlich des Einbaus aller Komponenten lässt sich innerhalb von zwei Nachmittagen vornehmen. Die hinteren Ruder sind aus Balsaholz gearbeitet und mit Folie bespannt. Die einzige nachträgliche Änderung, die ich vornehmen musste, waren Aussparungen im hinteren Rumpfspant, in dem der Magnet sitzt, um die Bowdenzüge an die Servos anklemmen zu können (Abbildung 18). 

Technische Daten 

Gesamtmasse: 1.100 Gramm 

Spannweite: 1.040 mm 

Flügelprofil: NACA 2415 

Anstellwinkel: 0 Grad 

Länge über alles: 820 mm 

Motor: AL 3536 

Luftschraube: APC 9*6 

Akku: Lipo 3s 2.200 mAh