Simulation Leichtbau-Flugzeuge im Aufwind

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Die Luftfahrtindustrie hat alle Hände voll zu tun: Mit Hinblick auf das 1,5°-Ziel der Europäischen Union und knapper werdenden fossilen Brennstoffen richten sich derzeit viele Blicke auf den Flugzeugantrieb der Zukunft. Doch kommerziell genutzte Drohnen und Leichtflugzeuge stellen die Entwicklung vor große Herausforderungen.

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Kommerziell genutzte Drohnen und Leichtflugzeuge stellen die Entwicklung vor große Herausforderungen. Die Engineering-Manufaktur Striek Air aus Gütersloh kennt die Eigenheiten der dafür häufig genutzten Faserverbundwerkstoffe sehr genau.
Kommerziell genutzte Drohnen und Leichtflugzeuge stellen die Entwicklung vor große Herausforderungen. Die Engineering-Manufaktur Striek Air aus Gütersloh kennt die Eigenheiten der dafür häufig genutzten Faserverbundwerkstoffe sehr genau.
(Bild: Striek Air)

In Vor-Corona-Zeiten verbrannten die rund 35.000 Flugzeuge (ohne Leicht- und Ultraleichtflugzeuge sowie Helikopter) etwa eine Milliarde Liter Kerosin pro Tag [1]. Ausweg aus diesem Dilemma verspricht die Elektrifizierung der Luftfahrt. Sie steckt zwar noch in den Kinderschuhen, aber es liegen inzwischen viele Fördermittel in der Luft, sodass sie bald abheben könnte.

Kommerzielle Drohnen im Kommen

Flugtaxis sind eine wichtige Übergangstechnologie zwischen Drohnen und kommerzieller Luftfahrt. Sie stehen an der Schnittstelle von Autonomisierung beziehungsweise Elektrifizierung und stoßen auch bei Investoren auf reges Interesse: Allein im vergangenen Jahr floss knapp eine Milliarde US-Dollar in den Passagierdrohnenmarkt, von der Hälfte profitierten deutsche Unternehmen. Immerhin gibt es in Deutschland 430.700 Drohnen [2].

Während der Markt für privat genutzte Drohnen inzwischen gesättigt ist, erfährt die kommerzielle Nutzung einen immer stärkeren Auftrieb: Der Anteil derart genutzter Drohnen stieg seit 2019 rasant um 138 Prozent auf jetzt 45 200 Drohnen.
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Mit der Leichtigkeit des Designs

Der Markt für privat genutzte Drohnen ist auch ein Segment, in dem sich Thomas Strieker, Geschäftsführer von Striek Air Engineering (Gütersloh), engagiert. Striek Air ist ein Entwicklungsdienstleister für leichte und ultraleichte Flugzeuge. Er kooperiert eng mit Silence Aircraft (Schloss Holte Stukenbrock), dem Unternehmen seines Bruders Matthias. Silence Aircraft hat sich auf den Faserverbund-, Werkzeug- und Formenbau spezialisiert.

Thomas Strieker kann auf große Erfahrung im Bereich der Entwicklung und Erprobung von Faserverbund-Leichtbaustrukturen verweisen, zum Beispiel bei der Herstellung und Entwicklung unbemannter VTOL-Systeme (VTOL: Vertical Take-off and Landing, Senkrechtstarter). Bereits seit 2015 vertraut der Maschinenbauingenieur auf Solidworks Premium und Solidworks Simulation Premium für die Modellierung und Auslegung von Flugzeugstrukturen. Die CAD/CAE-Suite hat er von der DPS Software GmbH (Leinfelden-Echterdingen) bezogen und steht dabei im Austausch dem DPS Competence Center Simulation.

Konstrukteure von Rekord-Flugboot setzen auf Solidworks

Konstrukteure für Produkte und Systeme in der Luft- und Raumfahrt müssen ständig innovativ sein. Um extrem komplexe Teile und große Baugruppen erstellen zu können, die die hohen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit erfüllen und zudem den strengen Sicherheitsstandards standhalten, vertrauen diese Ingenieure häufig auf die Lösungen von Solidworks.

Thomas Strieker ist mit Leib und Seele Flugzeugentwickler und weiß von vielen spannenden Projekten zu berichten. Zum Beispiel: „Wir haben den ersten Prototyp des Wasserflugzeugs ,Flywhale‘ überarbeitet. ,Flywhale‘ ist ein Produkt der Uniplanes GmbH (Frankfurt/Main). Die Herausforderung lag insbesondere darin, die Hydrodynamik durch Digital Prototyping zu optimieren. Die gesamte Flugzeugstruktur wurde in 3D-Modellen aufgebaut und für den CNC-Formenbau vorbereitet. Ich habe Festigkeitsberechnungen der Faserverbundstruktur und Aluminiumbauteile mit Solidworks Simulation durchgeführt.“

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Mit Leichtigkeit zum Ziel

Das Schwimmwerk muss hohen Kräften bei der Wasserung standhalten. Die Belastungstests ergaben Werte von 6 t, die allein auf den Rumpfboden wirken. „Selbst eine kleine Welle ist bei einer Landegeschwindigkeit von 60 km/h hart wie Beton“, erklärt der Berechnungsingenieur und zeigt sich zufrieden mit den Simulationsergebnissen der Berechnungen zur Wellenlast. „Durch den konsequenten Leichtbau konnte eine sensationelle Leermasse von unter 340 kg realisiert werden“, sagt Thomas Strieker stolz. Verschiedene Konstruktionsmaßnahmen führten dazu, dass „Flywhale“ zum schnellsten Flugboot seiner Klasse werden konnte.

Oft wird bei der Flugzeugkonstruktion noch in Rippen und Gurten gedacht, wie es bei einer traditionellen Holz- und Metall-Bauweise Stand der Technik ist. Faserverbund-Werkstoffe indes erfordern eine ganz andere Konstruktion, will man die Vorteile des Materials konsequent ausschöpfen. Mit einer werkstoffgerechten Konstruktion mit Hilfe von Solidworks Simulation helfen wir unseren Kunden, ihre Ideen zu realisieren.

Thomas Strieker

Maßfertigung bei Drohnen

Ein neues Geschäftsfeld für Striek Air ist die Entwicklung und Herstellung von kommerziell genutzten Drohnen auf Basis von Faserverbund-Werkstoffen, etwa für die Landschaftsvermessung. Konkret ging es bei einem Projekt um eine Drohne:

  • Die Drohne „CarryAir der Klasse 2 – 25 kg hat eine Spannweite von 3 m. Sie darf in Gebieten fliegen, in denen keine Unbeteiligten gefährdet und der Abstand von 150 m zur Grundstücksgrenze eingehalten werden kann.
  • Das mit Solidworks entwickelte Design hat offensichtliche Stärken: „Ein Vergleich hat gezeigt, dass beim Abfliegen eines Gebiets unsere Drohne 2 ½ Minuten benötigt hat, während ein konventioneller Multikopter im gleichen Gebiet 45 Minuten unterwegs war. Die Drohne liegt sehr ruhig in der Luft, was die Flächenleistung signifikant erhöht“, erklärt Thomas Strieker.
  • Das erste Fluggerät wurde an einen Geographen übergeben. Beim Probeflug ließ dieser eine Landschaft über die Drohne mit Laserscanner vermessen. Die Bildpunkte wurden schließlich mit GPS-Daten verknüpft. Die Genauigkeit: ±2 cm. Das ist sensationell, denn normalerweise liefern GIS-Anwendungen (Geographische Informationssysteme) eine Auflösung im Bereich von 40 bis 80 cm. Die Reisefluggeschwindigkeit der Drohne beträgt 70 bis 80 km/h bei einer Flugdauer von maximal 2 h.
Die Leermasse der Drohne beträgt etwa 10 kg. Mit anderen Worten: 15 kg stehen für Batterie, Antriebssysteme beziehungsweise Nutzlast zur Verfügung – das ist eine hervorragende Performance.

Thomas Strieker

Entwicklungsziel: Leichtgewicht

Im Flugzeugbau kommt es schlecht an, wenn Flugkörper zu schwer ausgelegt werden, weil zu konservative Abschätzungen in die Berechnung einflossen. Je leichter, desto besser lautet die einfache Lösung. Denn Leichtbau hat unmittelbare Auswirkung auf Einsparungen beim Treibstoffbedarf. Auf der Habenseite von Leichtbau stehen zudem zwei weitere Effekte:

  • Leichtere Flugzeuge kommen mit filigraneren Fahrwerken und kleineren Kraftstoffbehältern aus, was die Mehrkosten der Material-Substitution durch Faserverbundwerkstoffe zumindest teilweise amortisiert.
  • Außerdem: Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen können über eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden, was Solidworks Simulation Premium auf den Plan ruft.

Thomas Strieker erklärt: „Die Lastannahmen für die Drohnen kommen teils aus der Aerodynamik, zum Beispiel zur Beschreibung von Windböen oder der Verteilung der Schwerpunkte aufgrund unterschiedlicher Nutzlasten. Bei komplexen Flügelstrukturen ist es sehr hilfreich, Simulation zur Analyse zu verwenden. Es ist nämlich nicht ohne weiteres abschätzbar, dass wenn der Flügel nach oben gedrückt wird und es zu einer Torsion kommt, er auch diesen Kräften standhält und wieder in die Ausgangslage zurück federt.“

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Simulation der Fasernlage spart Zeit

Thomas Strieker nutzt zur 1D-Festigkeitsberechnung auch mathematische Formeln, die in Excel hinterlegt sind. Händisch wird so die grobe Auslegung berechnet. In Solidworks Simulation wird das Ganze dann einen Ticken filigraner ausgelegt und das 3D-Modell mit der FEM (Finite-Element-Methode) nach Lastspitzen durchsucht. An den roten Stellen in der Berechnung wird eine CFK-Lage mehr aufgetragen. Mit der Simulationssoftware wird auch untersucht, ob die Richtung der Kohlestoff-Fasern zur Einleitung der Lasten passen.

„In der Zeit vor der numerischen Simulation hat man mit sehr dünnen Strukturen gearbeitet. Hat es etwas geknistert, wurden die entsprechenden Stellen mit Composites verstärkt. Genau so lässt sich mit Solidworks Simulation arbeiten: Die Geometrie wird dünn mit zusätzlichen Lagen belegt. Die FEM zeigt dann, wo sich die Problemzonen befinden. Dadurch lässt sich viel Zeit sparen, weil ich nicht mehr warten muss, bis es irgendwo ,knistert‘“, sagt Thomas Strieker.

Welche Vorteile die Simulation noch hat

Eine Alternative zum Einsatz von Solidworks gibt es eigentlich nicht. Denn, es mit physischen Prototypen zu versuchen und dabei Gefahr zu laufen, das Fluggerät zu verlieren und Menschenleben zu gefährden, ist definitiv keine Option.

Ich gehe von einer Zeitersparnis von mindestens 50 Prozent durch den Einsatz von Solidworks Simulation aus.

Thomas Strieker

Der Vorteil der FEM durch Solidworks sei zudem, dass bei einer Berechnung mit Excel Fehler entstehen können, die mit der Software nicht passieren. Zudem kann sich der Kunde die Ergebnisse der Berechnung am 3D-Modell viel besser vorstellen.

Individuell beraten dank DPS Competence Center Simulation

Das DPS Competence Center Simulation steht seit seinem Bestehen in enger Verbindung mit Unternehmen wie Striek Air Engineering. Individuell wird beraten, empfohlen, Software installiert und geschult. So hat der Leiter des Competence Center Simulation, Wolfgang Müller, Thomas Strieker gezeigt, wie sich mit Solidworks Simulation Faserverbundwerkstoffe berechnen lassen. Beginnend mit Einstiegslösungen und einer Skalierbarkeit bis zur Abaqus-basierenden Highend-Lösung kann der Kunde auf eine kompetente Beratung vertrauen.

Quellen:

[1] arts.eu/de/insights/artikel/die-luftfahrt-im-jahr-2050-ein-blick-in-die-zukunft

[2] www.bdl.aero/de/publikation/analyse-des-deutschen-drohnenmarktes

[3]Spannende Use Cases aus der Luft- und Raumfahrtindustrie können abgerufen werden unter www.solidsolutions.co.uk/solidworks-industries/commercial/aerospace.aspx

[4] drohnen-camp.de/eu-drohnen-klassen

Spezialist für die Herstellung hochwertiger Carbonfaser Gitarren mit hervorragender Akustik.

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